16.04.2001 О бионике (Передача I.)
Не секрет, что, приступая к поиску решения той или иной технической проблемы, учёные и инженеры крайне редко действуют совершенно самостоятельно и уж конечно не начинают работу с чистого листа. Иными словами, заимствования - дело вполне обычное. Эти заимствования могут принимать самые разные формы - вплоть до плагиата или промышленного шпионажа. Но это - в экстремальных случаях. Гораздо чаще современные конструкторы предпочитают легальный путь: они опираются на достижения и открытия предшественников и привлекают к сотрудничеству коллег. Но есть ещё одна форма заимствования - вполне законная, хотя, выражаясь языком патентного права, она и не предполагает согласия со стороны владельца интеллектуальной собственности. Речь идёт о древнейшей форме заимствования - заимствовании у природы. Причём далеко не всегда тут можно говорить о банальной имитации: порой природа подсказывает учёным новые направления исследования, принципиально новые идеи. Так что в истории развития науки изучение особенностей строения и функционирования живых организмов играет исключительно важную роль не только само по себе, но ещё и потому, что позволило успешно решить множество технических задач, стоявших перед человечеством. Впрочем, говорить об этом процессе в прошедшем времени совершенно неуместно, поскольку интерес исследователей к заимствованию новаторских подходов у живой природы в наши дни не только не убывает, но и охватывает всё новые и новые отрасли науки и техники. О некоторых из таких технических решений и перспективных разработок и пойдёт речь в сегодняшнем выпуске радиожурнала «Наука и техника».
Тем, что обтекаемую форму кузова спортивного автомобиля конструкторы подсмотрели у пингвина, а при разработке грязеотталкивающего и самоочищающегося покрытия образцом послужил лист лотоса, вряд ли кого-нибудь удивишь. Но вот о том, что некоторые особенности строения одного из видов морских червей могут произвести подлинную революцию в технологии волоконно-оптических коммуникационных сетей, слышали, наверное, немногие. Об этом - в репортаже, подготовленном Франком Гротелюшеном.
«Так называемая морская мышь (Aphrodite aculeata), или Афродита, представляет собой крупного червя, обитающего на дне океанов на глубине около 2-х километров. Замечательная особенность этого червя состоит в том, что его тело покрыто своего рода бахромой, состоящей их множества волосков, которые переливаются всеми цветами радуги», -
говорит профессор Росс МакФедран. Вообще-то столь малопривлекательное создание, как морской червь, если и способно вызывать восхищение и восторг, то, как правило, лишь у зоологов. Остальные представители рода человеческого испытывают при виде подобной экзотики более сдержанные чувства, а нередко даже отвращение. Однако Росс МакФедран - не зоолог, а физик, да к тому же теоретик. Что же заставляет профессора Сиднейского университета заниматься волосатым червём размером с сосиску? Сам он объясняет это так:
«Меня интересует, как в природе возникает та или иная окраска. Для создания цвета живая природа располагает двумя различными механизмами. Во-первых, это цветные пигменты. А во-вторых, особые структуры, способные придавать тканям организмов определённую окраску».
Примером таких структур может служить перламутр - слой кристаллического карбоната кальция, так называемого арагонита, выстилающий внутреннюю поверхность раковины некоторых видов моллюсков. Перламутр состоит из тончайших пластинок, которые и придают ему специфический радужный блеск. Так вот, цветные волосы морской мыши имеют весьма необычную структуру, которая является объектом пристального внимания австралийского профессора.
«Если поместить эти волосы под электронный микроскоп, становится отчётливо видно их ячеистое строение, напоминающее пчелиные соты. Эта структура отличается удивительной упорядоченностью, а линейные размеры ячеек соизмеримы с длинами волн в диапазоне видимого света. Благодаря этому волосы морской мыши обладают способностью сильно рассеивать свет, причём степень рассеяния зависит от цвета луча, то есть от длины волны. Это означает вот что: из потока света, падающего на волос перпендикулярно, отражается только красная составляющая; иными словами, если смотреть на волос под прямым углом, то он кажется ярко красным. Из потока света, падающего на волос наклонно, он отражает - в зависимости от угла - то жёлтый, то зелёный, то синий цвета. Можно сказать, что глазу, оглядывающему волос со всех сторон, он предстаёт поочерёдно во всех цветах радужного спектра».
Впрочем, одним лишь созерцанием ярких цветных картинок, поставляемых электронным микроскопом, профессор Росс МакФедран не ограничился. Всё-таки он физик-теоретик, а потому использовал для анализа радужных эффектов математический аппарат. Профессор выстроил компьютерную модель волоса, состоящую из сложенных штабелем пятисот микроскопически тонких решёток. Эта структура дала тот же самый радужный эффект, что и реальный волос морской мыши. Иными словами, математическая модель оказалась точной. Мы имеем теперь достаточно полное представление о структуре, заставляющей волос переливаться всеми цветами радуги, - подчёркивает профессор МакФедран. Но тут возникает другой вопрос: а зачем морской мыши всё это нужно? Почему природа распорядилась так, чтобы это животное сверкало и искрилось? Зоологи пока не могут с уверенностью даже сказать, обладает ли морская мышь вообще цветным зрением. Если нет, то напрашивается предположение, что радужное свечение либо отпугивает врагов, либо приманивает добычу. А если да, если морская мышь способна воспринимать цвета, то радужные блики, скорее всего, как-то связаны с привлечением партнёра и продолжением рода. Впрочем, для людей этот оптический феномен имеет и совершенно иной аспект: он может породить новую коммуникационную технологию. Профессор Росс МакФедран поясняет:
«Эта самая структура, которую морская мышь создала на протяжении миллионов лет в процессе эволюции, изучается сегодня инженерами на предмет использования в волоконно-оптических кабелях нового поколения. Известно, что эффективность световода прямо зависит от его способности удерживать свет внутри себя, не давать ему рассеиваться. Сегодняшние оптические волокна имеют специальные приспособления, повышающие степень внутреннего преломления света. Морская мышь использует иной механизм. Её волосы как бы удерживают свет благодаря своей ячеистой структуре. И похоже, что эта новая - а вернее, очень старая, - технология рациональнее и эффективнее. Так что не исключено, что научные знания о строении волос морской мыши дадут новый импульс развитию волоконно-оптических коммуникационных сетей».
Инженеры полагают, что оптическое волокно, созданное по образцу волоса морской мыши, будет обладать более высокой пропускной способностью. При том же диаметре оно сможет, говоря несколько упрощённо, проводить больше света и - соответственно - переносить больше информации. Правда, пока промышленное производство таких ячеистых волокон обходится непомерно дорого. Но возможно, что в будущем учёным удастся выяснить, как растут радужные волосы морской мыши. И тогда эти знания лягут в основу новой, более дешёвой технологии производства чудо-волокон.
Впрочем, чтобы почерпнуть интересные идеи, касающиеся волокон с необычными свойствами, совершенно не обязательно нырять в глубины океанов: немало любопытного учёные могут позаимствовать и у наземных организмов. Например, у пауков. Правда, речь тут идёт не об оптических, а о механических характеристиках волокон: паутина в этом отношении - чудо живой природы, её непревзойдённый шедевр. Волокна с подобными свойствами могли бы найти широкое применение во многих отраслях современной техники, но вот беда: сами пауки просто не в состоянии произвести необходимое для этого количество паутины, а синтезировать её в лабораторных условиях человек пока не научился, да и себестоимость такого волокна была бы непомерно высокой. Поэтому все надежды учёных-материаловедов обращены сегодня... к селекционерам-аграриям. Именно так: паутину предполагается выращивать в теплице. Репортаж, подготовленный Йо Шиллингом:
Один из парников, принадлежащих Немецкому институту генетики растений и изучения сельскохозяйственных культур в Гатерслебене, в федеральной земле Саксония-Анхальт, полностью отдан под табак. Урожай выдался на славу, однако ни один из этих листьев не будет использован для скручивания сигар или производства сигарет. Селекционеры холят и лелеют растения, чтобы добыть из них совершенно не свойственную им от природы субстанцию, которая служит основой для паутины. Дело в том, что учёные внедрили в геном табачного куста ген, позаимстованный у паука. Этот ген кодирует тот самый белок фиброин, из которого и состоит паучий шёлк. Паутинные нити выполняют множество функций: служат паукам и для построения убежищ, и для выстилки норок, и для прядения яйцевого кокона, но главное - для создания ловчих сетей. Эти весьма изящные воздушные сооружения обладают не только сложной архитектурой, но и поистине завидными прочностными свойствами, не уступающими, а то и превосходящими параметры лучших синтетических волокон. Биолог Юрген Шеллер поясняет:
«Стабильность выше, чем у стали при прочих равных условиях. То же самое относится и к удельной прочности на разрыв. А если иметь в виду эластичность и сочетание эластичности с прочностью, то паутина - по крайней мере, тех пауков, с которыми мы имеем дело, ведь паутинные нити разных пауков обладают разными механическими характеристиками, - так вот, паутина не уступает такому замечательному синтетическому волокну, как кевлар».
Правда, чтобы получить паутинную нить со столь выдающимися свойствами, учёные позаимствовали ген у одного из самых искусных прядильщиков сетей - обитающего в Коста-Рике крупного паука-кругопряда (Nephila clavipes), ярко-жёлтые ловчие тенёта которого достигают 2-х метров в диаметре.
Этот паук, словно химическая фабрика, производит широкий ассортимент продукции: тут и каркасные, и радиальные нити, и опорная нить, и собственно ловчие нити, и даже особый клей для скрепления нитей разных видов в узлах сети.
Решая, какую нить попытаться получить путём выращивания трансгенного табака, учёные остановили свой выбор на опорной нити. Она - самая прочная: именно на ней паук спускается к своим попавшим в сеть жертвам.
Попытки посредством генетических модификаций заставить другие организмы синтезировать молекулы паутинного белка предпринимались уже не раз. Как правило, объектом таких экспериментов становились бактерии. Однако добиться сколько-нибудь серьёзного успеха микробиологам пока не удалось. Юрген Шеллер поясняет:
«Там исследователям приходилось, главным образом, бороться с таким феноменом, как нестабильность выведенных ими линий мутантных бактерий. То есть трансгенные бактерии поначалу действительно синтезировали паутинный протеин, но очень непродолжительное время: каждое следующее поколение производило всё меньше и меньше белка».
Кроме того, для получения весьма скромного количества паутинного волокна потребовались бы огромные бродильные чаны:
«При бактериологическом синтезе паутины вы не может рассчитывать на количества, измеряемые хотя бы граммами. При такой технологии для получения одного миллиграмма паутинного белка вам потребуется, по моим оценкам, примерно литр культуры. Значит, резервуар ёмкостью в 1000 литров - а это всё же довольно громоздкое сооружение! - даст вам от силы один грамм протеина».
Исследователи, экспериментирующие с мутантным табаком в Институте генетики растений и изучения сельскохозяйственных культур в Гатерслебене, умудряются снимать «урожай» в 2 грамма паутинного белка с очень небольшого парника, в котором помещается от силы сотня растений. Всё это замечательно, но есть одна проблема, которая сводит практически на нет все усилия учёных: паутинный белок - это ещё далеко не паутинная нить. Дело в том, что все свои выдающиеся механические характеристики паутинное волокно обретает лишь в результате того,..
«... что паук в своих паутинных железах формирует из молекул паутинного протеина - фиброина - особую вязкую массу, которая, застывая на воздухе, и образует те самые вожделенные нити. Иными словами, производство готового волокна из имеющегося сырья - это второй этап технологического цикла, и этим этапом мы пока не овладели. Но в принципе уже понятно, что он состоит из нескольких последовательных стадий: сначала белок надо будет подвергнуть действию высококонцентрированного растворителя, затем этот растворитель удалить, а потом уже формировать волокно в условиях высокого давления».
Так считает руководитель проекта Удо Конрад. И всё же выяснить в деталях, как функционируют паутинные железы паука, исследователям никак не удаётся. Механизм, позволяющий из белковой каши получать высокоструктурированную нить с уникальными механическими свойствами, остаётся загадкой для учёных. Но технологи полагают, что и с помощью обычного прядильного устройства им удастся получить из паутинного протеина вполне пригодное к использованию волокно, пусть пока и в очень небольшом количестве. Этот этап эксперимента исследователи планируют начать ближайшей осенью. Очередной сбор урожая с табачной плантации должен дать учёным достаточно паутинного белка, чтобы попытаться искусственно воспроизвести продукцию коста-риканского паука. Если эти опыты увенчаются успехом, в руках исследователей окажется на редкость прочное и эластичное волокно. Но это ещё не всё, - подчёркивает Удо Конрад, - какими бы замечательными ни были механические характеристики паутинной нити, её достоинства этим не исчерпываются:
«Кроме того, белок, из которого состоит паутинное волокно, практически не вызывает аллергических или иммунных реакций. А это означает, что такое волокно найдёт широкое применение в медицине. Судя по всему, оно может оказаться просто идеальным материалом для протезов, искусственных органов, имплантатов и тому подобных изделий медицинского назначения».
Это был репортаж, подготовленный Йо Шиллингом. Тему бионики мы продолжим через неделю, а сейчас я прощаюсь с вами. Всего вам доброго.