КТО ПОБЕДИТ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ГОНКЕ – ЧЕЛОВЕК ИЛИ… ПРИРОДА?
Август 2011
Вернуться к номеру >>

Теги: экология, технологии, наука, природа



     Ученые и инженеры разных стран всегда соревновались друг с другом. Не прекратилось это соперничество и по сей день. В Европе изобретут новый двигатель – в США из кожи вон лезут, чтобы его усовершенствовать. В одном университете создадут какой-нибудь очень сложный прибор – в десяти других бросят все дела, чтобы изобрести еще более сложный и утереть нос коллегам. Очередной супертехнологичный самолет побьет все рекорды скорости в небе над Невадой – и в России закипит работа, чтобы «догнать и перегнать».

     Но есть один соперник, от которого все человеческие ученые вместе взятые отстают, как лошадь от паровоза. Этот непобедимый противник – природа. В ее «лабораториях» тысячи лет назад были изобретены удивительные ноу-хау. Нам остается только учиться и копировать гениальные находки.

     О некоторых из технологий животных мы знаем со школы – например, почти каждый слышал, что пауки-ныряльщики способны сплести плотный кокон из паутины, набрать в него воздух и дышать этим воздухом под водой. Многие знают про то, как голуби могут находить дорогу домой. Над клювами пичуг располагается небольшой «датчик», состоящий из магнетита и служащий природным компасом. Эта их способность работает точнее, чем любые человеческие системы спутниковой навигации. Но и подводные лодки, и системы навигации у людей уже есть. А вот кое-где нам бы еще стоило поучиться у природы.

Насекомые решают мировые проблемы

     Мы все ценим научно-технический прогресс. Люди привыкли думать, что это отличает их от низших биологических видов – дескать, несколько тысяч лет назад мы и медведи жили в одинаковых берлогах, потом мы выбрались из берлог и построили себе небоскребы с центральным отоплением, а мишки остались, где были. На самом же деле технологии, которые мы сейчас считаем грандиозным прорывом или «взглядом в будущее», у других творений природы были еще в те времена, когда людей не существовало.

          Взять, скажем, водородную энергетику. Корпорации и правительства вкладывают миллиарды, чтобы сделать водород новым универсальным «топливным стандартом». Пока еще это мечта – нет ни стопроцентно безопасных водородных двигателей, ни эффективных способов создавать такое топливо. Когда все двигатели и электростанции мира перейдут на водородное топливо, у людей будет столько дешевой энергии, сколько понадобится – и совсем без вреда для экологии. Конечно, сейчас нужно потратить немалые деньги на исследования и внедрение – но это окупится в будущем. В конце концов, это передний край науки, он не может нам дешево обойтись, верно?

          Верно-то оно верно. Только вот у термитов водородная энергетика стала «топливным стандартом» много миллионов лет назад.

         Как мы добываем водород? В настоящее время самым продуктивным методом является электролиз воды или природного газа. Беда в том, что для производства электричества, которое применяется в этом технологическом процессе, используются нефтепродукты. То есть в погоне за экологически чистым топливом мы загрязняем атмосферу. Плюс расходуем много невозобновляемых ресурсов и производственных мощностей. А термиты производят водород... в процессе пищеварения.

          Желудок термита – самый совершенный из известных человеку биореакторов. Он превращает древесную целлюлозу в водород, и организм использует его энергию. Желудочно-кишечный тракт этих небольших насекомых «превращает» один съеденный ими лист бумаги в два литра водорода – подобная производительность еще долго будет недоступна рукотворным биореакторам. Такая эффективность по силам термиту, потому что в его внутренностях живет примерно 200 разных видов бактерий. Вместе они составляют идеальный технологический цикл – что-то вроде химической фабрики в миниатюре.

          Разумеется, ученые уже предпринимают попытки воспроизвести биохимию термита в увеличенном масштабе 

     и построить новые генераторы водорода, скопировав технологию желудка насекомого. Но пока не получается – мы не в состоянии организовать взаимодействие разных колоний бактерий так, как они сами трудятся внутри термита.

          Это не единственная область, в которой нам следовало бы поучиться у термитов. Их муравейники – башни высотой до 10 метров, отверстия и туннели в которых расположены с гениальной эффективностью. Никакая человеческая система климат-контроля сооружениям крошечных насекомых и в подметки не годится. Движение холодного и горячего воздуха внутри муравейника позволяет термитам иметь «рекреационные зоны» и круглогодичные «парники». Это при том, что никаких источников энергии у насекомых нет. Муравейник нагревается от солнца, и воздух за счет формы туннелей перемещается, куда нужно.

          А как дела обстоят у нас? Дешевого и эффективного метода добычи водорода мы пока что не придумали. Вентиляционные системы запатентовали в 1851 году – очень давно по человеческим меркам, но все равно примерно на 250 млн. лет позже, чем с этой задачей справились термиты.

          Другое насекомое, которое давно справилось с тем, что мы называем проблемой века – полосатый жучок из пустыни Намиб.

          Это место – одно из самых сухих на земле. Тут выпадает менее трех сантиметров осадков в год. И тем не менее, пустынные жучки здесь прекрасно живут – влаги для своих нужд они находят вдосталь. Как? За счет тумана, который каждое утро приходит со стороны Атлантического океана. Разумеется, надолго в пустыне он не задерживается, однако и этого достаточно для насекомых.

          Ожидая прихода морского марева, каждый день на рассвете жучки поворачиваются к ветру, выпрямляют задние лапки – так что их брюшко оказывается выше головы – и ждут. Капельки воды конденсируются на их спинах и стекают в рот. Так жучок запасается водой на весь предстоящий день. Звучит довольно просто? А вот технология за этим стоит нешуточная.

          Во всех тех регионах, где люди страдают от нехватки пресной воды, бывает туман. Причем водяная пыль, которую он несет, удивительно чистая, пресная и безопасная – в общем, как только мы научимся эффективно «собирать» туман и превращать его в воду, проблема жажды будет решена. Вот только все наши попытки «поймать» такие осадки покамест проваливались. Самая эффективная рукотворная конструкция для собирания воды из тумана – текстильные сети, растянутые вдоль побережья в Чугундо, республика Чили. Каждое утро на них скапливается до 15 тыс. литров воды. Одна беда – собрать этот конденсат до того, как его сдует ветер или он испарится, пока не получается.

           А жучки носят свой «водосборник» с собой. Поверхность спины у них – водоотталкивающая, как у капустного листа. Вода на ней не задерживается и стекает. Но над этой поверхностью выступают небольшие бугорки, которые как раз обладают способностью «притягивать» воду. Когда же капелька становится слишком большой, чтобы удерживаться на бугорке, она легко скатывается по спинке жучка. Происходит это довольно быстро, так что жара и ветер не успевают отнять у жука его воду.

           Когда ученые смогут создать аналогичные по свойствам поверхности, это не только поможет решить проблему нехватки воды. Одновременно такие «водосборы» смогут, если их сделать достаточно большими, рассеивать туман – за что будут благодарны владельцы всех аэропортов мира. Ведь туман – основная причина, по которой откладываются авиарейсы.

         Или взять медицину. Что вы делаете, когда заболеете? Идете к врачу и он советует вам какие-нибудь таблетки. Откуда они берутся? Их производят фармакологические компании. Как эти компании разрабатывают лекарства? Они зачастую готовятся из веществ, содержащихся в экзотических растениях. Как фармакологи узнают, к каким растениям им следует приглядеться? Они... наблюдают за поведением больных диких животных.

          Да-да. Существует явление, называемое в науке «зоофармакогнозия». Животные всегда знают, какую травку или корешок им нужно съесть, чтобы вылечиться от болезни или отравления.

         К примеру, в те времена, когда люди еще только-только осваивали использование огня, а болезни лечили походом к местному шаману и кровопусканием, африканские слоны пользовались саванной, как тумбочкой с лекарствами.

          Со стороны это может показаться бессмысленным – эти гиганты иногда едят землю. Зачем? А чтобы живот не болел. Речь идет не про абы какую землю – некоторые виды почв имеют подходящий кислотно-щелочной состав, чтобы нейтрализовать токсины, попавшие в желудок животного с пищей, а также просто улучшить пищеварение. Слоны умеют на глазок и по запаху находить такую почву и знают, какую «дозу» им нужно «принять».

         Более того, один из видов южноафриканских слонов сумел избежать вымирания, включив в свой рацион ганодерму – гриб, использующийся в традиционной китайской медицине для предотвращения развития раковых опухолей и лечения вирусных заболеваний.

          Ну а о том, что любая домашняя кошка, дай ей только свободу действий и лужайку, найдет нужные травки и для того, чтобы облегчить себе роды, и вылечиться от какой-нибудь простуды, знает большинство владельцев домашних животных.

          И главное – животные никогда не ошибаются в выборе «лекарств». Они умеют «слушать» свой организм и точно определяют, что ему нужно.

     «Шпионские штучки» животного мира

     Человек придумал пращу, арбалет, винтовку. На сегодняшний день все завершилось ядерными бомбами. Писатели-фантасты до сих пор грезят о более совершенных видах вооружений – лазерах и плазменных пушках. Кто знает, что мы выдумаем завтра? Особенно с учетом того, что в природе лазерное оружие существует уже очень давно.

          Да-да, лазерная пушка. И вооружены ей... креветки. Особый их вид, альфиды, или, по-простому, креветки-стрелки, от рождения снабжены одной крупной клешней, которой они могут щелкнуть настолько быстро, что этот щелчок производит световую вспышку и хлопок громкостью 218 децибел – это больше шума, чем от выстрела из ружья.

          Звук и свет, конечно, производятся не самим щелчком. Поскольку дело происходит под водой, образуется пузырек низкого давления, заполняя который струя воды разгоняется до 120 км/ч. Более того, в момент «лопания» пузырька вода в нем на мгновение разогревается до 18 тыс. градусов, что выше, чем температура поверхности Солнца. С помощью такого «супероружия» маленькие креветки отгоняют хищников.

          Но мало иметь оружие – нужно еще прицелиться. Вспомните – летучие мыши ориентируются в темноте с помощью ультразвука, а глаза ночных мотыльков устроены так же, как человеческие приборы ночного видения. Мы знаем это из передачи «В мире животных». Но оказывается, у некоторых видов животных и насекомых есть еще более совершенные каналы восприятия. То есть они видят мир не просто лучше, а ПРИНЦИПИАЛЬНО ИНАЧЕ, чем мы. Причем люди это обнаруживают только после того, как сами, независимо от животных, осваивают подобные технологии или открывают какие-то новые законы природы. Это немудрено – пока мы не знали, что существует ультразвук, мы не могли объяснить поведение летучей мыши. Надо ли говорить, что миллионы лет эволюции сделали «радар» нетопыря гораздо лучше, чем те, которые может сконструировать человек? Что же может быть еще совершеннее? Наш ответ – глаза паука-скакуна.

          Эти восьминогие хищники обладают тетрахроматическим зрением. Там, где наш глаз различает три основных цвета – красный, синий и зеленый – а остальные складывает из них, пауки видят четвертый – ультрафиолетовый. И это совсем не то же самое, что видеть дополнительный цвет в радуге. С тем, что нового можно увидеть в ультрафиолетовом спектре, лучше всего знакомы любители зарубежных детективных сериалов. В свете ультрафиолетового фонарика становятся видны любые белковые загрязнения. С помощью ультрафиолета можно фактически разглядеть историю предметов. Смытое пятно крови, стертый отпечаток ладони, даже высохший плевок на полу легко обнаруживает полицейский. Но это – далеко не все, что может видеть паук и чего не можем различить мы. Именно с помощью ультрафиолетового освещения мы узнали, что древнегреческие статуи были раскрашены, а внутри полых костей динозавров не содержалось костного мозга. С помощью своих удивительных глаз паук-скакун превращается в идеального следопыта. Разные виды животных и насекомых, миллионами лет развивавшие свою маскировочную окраску, видны хищнику как на ладони. Даже мастера маскировки, о которых вы прочтете ниже – хамелеон и каракатица – не смогли бы спрятаться от него. Но, увы, это слишком крупная добыча для скакуна и потому не представляют для него интереса. Некоторые безобидные насекомые для выживания приобрели такую же раскраску, как ядовитые или опасные виды – птицы не едят некоторых бабочек, потому что они такого же цвета, как их ядовитые товарки. Но паук-скакун видит не только раскраску – и с легкостью отличает несъедобных бабочек от съедобных.

     С чем еще они справляются лучше

     Существует специальная научная область, занимающаяся изучением живой природы и копированием ее технологий. В этом, согласитесь, есть смысл – никто не плавает лучше рыб и не летает лучше птиц. Называется такая наука – биомиметика.

          Современная биомиметика занята не только созданием «рыбообразных» скоростных катеров. Наблюдая за животными, ученые готовят технологические революции.

         Например, «инжекторная» система жука-бомбардира даст сто очков вперед любому автомобильному двигателю. В кончике туловища этого насекомого находится химическая пушка, которой жук пользуется, когда чувствует опасность. Ядовитая жидкость с огромной скоростью вылетает из этой «пушки» и отпугивает, а иногда и обжигает хищника. Поэтому хищники с жуками-бомбардирами предпочитают не связываться.

          При этом технология, по которой работает эта «пушка», невообразимо сложна и пока еще не повторена человеком. Внутри тела жука имеются два резервуара, которые наполняются секретом специальных желез. В одном «баке» хранится пероксид водорода, в другом – гидрохиноны. Держать эти вещества вместе нельзя – соединяясь, они немедленно взрываются. Именно это и происходит, когда жук смешивает их в специальной камере – совсем как в двигателе внутреннего сгорания. Температура и давление в камере многократно возрастают, и горячая ядовитая струя выбрасывается в цель, стоит только открыть клапан. Причем жук способен произвести до 500 выстрелов в секунду – никакой современной артиллерии такое не снилось! Самый современный многоствольный пулемет может достичь скорострельности в пять раз меньшей – и сломается где-то через минуту от банального перегрева. А для жука такая «стрельба» – ежедневная часть жизни.

          Распылители и форсунки используются сейчас повсеместно – от автомобильных двигателей до ингаляторов, которые носят с собой больные астмой. Повторение технологии, с которой жук-бомбардир просто рождается, означает новые авиационные турбины, которые смогут заново запуститься, если сломаются в полете, и даже переход с обычных инъекций на такие, какие мы видим в кино – без игл, когда лекарство просто впрыскивается через кожу под большим давлением – безболезненно и абсолютно стерильно.

          Правда, пока «химическую пушку» удалось воссоздать только один раз и заняла она целую лабораторию. Так что наступления новой технологической эры еще придется подождать – как и появления новых, более совершенных оптоволоконных кабелей. Технология, необходимая для них, ждет нас... на дне океана.

         «Морская мышь» – это особый вид мохнатых червей, живущих на морском дне. Что примечательно в этих червях, так это волоски, растущие на их телах. В зависимости от угла, под которым на них падает свет, они светятся красным, синим или зеленым – это нужно им, чтобы отпугивать и дезориентировать хищников. Вроде бы ничего особенного – но когда ученые поместили эти ворсинки под микроскоп, их удивлению не было предела.

          Немного отступим от темы, чтобы пояснить, в чем дело. Самым эффективным способом передачи сигнала в наше время являются оптоволоконные кабели. Внутри них находятся тончайшие и идеально прозрачные стеклянные волокна. Световое излучение подается через один конец кабеля. Волокна в нем расположены таким хитрым образом, что луч света «прыгает» между ними и с минимальными потерями достигает другого конца провода.

          Так вот, когда мы говорим «с минимальными потерями», мы имеем в виду, что на доведение до ума этой технологии человечество потратило ни много ни мало 170 лет, а процесс производства оптоволокна так сложен, что пришлось бы потратить все пространство журнала, чтобы его описать. И потери сигнала все равно присутствуют – чем больше расстояние, тем большие. Нужны специальные устройства, чтобы «обновлять» и усиливать сигнал, так что в итоге данные по оптоволокну путешествуют не со скоростью света, а гораздо медленнее.

          Так вот, волоски морской мыши работают В НЕСКОЛЬКО РАЗ эффективнее, чем самое совершенное произведенное человеком оптоволокно. При этом морская мышь живет на глубине нескольких километров под водой, куда практически не проникает свет. Поэтому несколько миллионов лет нежелания быть съеденной усовершенствовали мех морской мыши до практически идеальной способности отражать малейший лучик.

         Ученые очень плотно заинтересовались жизнью морских мышей. Ведь вопрос не только в том, как скопировать технологию супер-эффективного оптоволокна – хорошо бы научиться «выращивать» его так же, как это делает червь. В конечном итоге такая технология будет и дешевле, и надежнее.

          Другой вид морских животных, у которых учатся человеческие инженеры – каракатицы.

         Этим головоногим живется несладко. Практически все остальные виды животных в их экосистеме находят их очень вкусными, впрочем, как и люди. Чтобы выжить, этим существам пришлось «разработать» такие методы маскировки, какие ни одному Джеймсу Бонду не снились.

         Все видели хотя бы по телевизору хамелеона. Эта удивительная рептилия может менять цвет кожи, чтобы сливаться с окружающей средой. Но на самом деле возможности хамелеона весьма ограничены – и они меркнут в сравнении с талантами каракатицы.

          Вместе с цветом кожи головоногие меняют также ее фактуру, так что на камнях становятся шершавыми, а в водорослях – «мохнатыми». Кроме того, делают они это практически мгновенно.

          Как им это удается? Если описывать грубо, то можно сказать, что каждый сантиметр тела каракатицы – это маленький плоский телевизор. Конечно, головоногие не могут выращивать на себе настоящие «жидкие кристаллы», зато обладают еще более сложной технологией. Кожа животного состоит из большого количества разноцветных слоев, а мелкая мускулатура под управлением нервной системы заставляет разные слои растягиваться и сжиматься, так что нужный «просвечивает» наружу. «Накладываясь» друг на друга, цветные чешуйки каракатицы могут создать все существующие цвета. Спектр возможных оттенков и скорость работы мышц моллюска достаточны для того, чтобы каракатица могла работать настоящим телевизором и, например, показывать телесериал с такой же скоростью смены картинки, как у обычного экрана – около 25 кадров в секунду.

         Это не художественное преувеличение – ученые в Массачусетсе создали на основании тех же принципов настоящий дисплей, имеющий толщину в один микрон и потребляющий в десятки раз меньше электричества, чем традиционные плазменные и жидкокристаллические дисплеи. Более того, он дешевле в производстве.

          Другое дело, что кожа каракатицы не светится – это, согласитесь, плохо для маскировки. Поэтому и новый экран тоже не может светиться – он, как и другая модная новинка, «электронная бумага», только отражает свет. 

     В темноте такой телевизор не посмотришь.

         Еще одна технология, которую люди стараются повторить, но пока не смогли – это паутина. Обыкновенный паук производит волокно, которое имеет пропорциональную прочность в пять раз выше, чем у самой лучшей стали, совершенно водонепроницаемо и неуязвимо для любых бактерий и грибков. И используются для этого только те вещества, которыми паук питается – весь технологический процесс происходит внутри его маленького тельца.

          А теперь познакомьтесь – «caerostris darwini», он же «паук Дарвина». Этот древесный паучок живет на Мадагаскаре и является предком всех остальных существ, плетущих паутину. Нить, которую он производит, в 25 раз прочнее любой стали и в 10 раз крепче кевлара — материала, из которого делают бронежилеты. А заодно превосходит по свойствам титан, вольфрам и прочие металлы, использующиеся в человеческой промышленности.

     Зачем паукам Дарвина такая технология? Ну, достаточно сказать, что они плетут сети размерами в несколько метров и... ловят в них птиц.

          Стоит поучиться у природы и создавать сверхпрочные материалы. Так, панцирь жука-броненосца превосходит по прочности все, что до сих пор создали ученые.

          Все мы знаем, как бороться с насекомыми. Кого-то из них, может быть, не уморит дихлофос. Какие-то виды нельзя отогнать «раптором». Но хороший удар газетой или тапком наверняка отправит на тот свет любого жучка или паучка, верно? Да – до тех пор, пока вы не столкнулись с броненосцем.

          У этих медлительных пятнистых жуков самый крепкий экзоскелет из тех, что встречаются в природе – и он гораздо прочнее, чем любой скафандр, созданный людьми. Просто представьте – на такого жука человек может наступить и даже прыгнуть без всякого вреда для насекомого. Аналогов такой прочности просто не существует – никакая броня и никакие фортификации не выдержат давления, во много тысяч раз превышающего их массу. А жук – ничего, дождется, пока с него сойдут, и поползет себе дальше.

          Отдельный анекдот – энтомологи. Пойманную бабочку просто прокалывают булавкой, чтобы поместить в альбом или под стекло. Для коллекционирования жуков-броненосцев выпускаются специальные особо прочные сверла – ничто больше их не берет.

          Мы уже научились многому у природы. Архитектура современных небоскребов в точности повторяет структуру стеблей злаков – так что они способны выдерживать большие нагрузки и не ломаться на ветру под собственной тяжестью. Самолеты и корабли оснащены радарами, похожими на тот, которым пользуется летучая мышь, а подлодки позаимствовали технологию сонара у рыб и морских черепах. Даже застежку «молния» – и ту придумали, взяв за основу сцепление перьев на птичьем крыле. Чему еще мы можем научиться у животных? Может быть, не вредить экологии окружающей среды? Не тратить больше ресурсов, чем нам нужно? Или не истреблять друг друга? Согласитесь, это куда важнее, чем освоить конструкцию лазерной пушки.

     

     





Спешите подписаться на журнал “Планета”!