Энциклопедия флоры и фауны

Когда-то еще древние греки пытались путем отвлеченных умозрительных рассуждений ответить на вопрос, почему природа не изобрела колеса. Еще и сейчас есть попытки разобраться в причинах такого «недосмотра». Но важно уже другое.
Человек когда-то изобрел колесо и, привязавшись к собственному детищу, надолго отказался от попыток сделать шагающую машину. А между тем потребность в мощных и небольших шагающих механизмах становится все ощутимей. Правда, сделать удобную, быструю и прочную шагающую машину оказалось невероятно трудно. За «уточнением деталей конструкции» инженерам пришлось обратиться к природе.
Безвозвратно ушло то время, когда человек был в состоянии лишь восхищаться «мудростью творца». Суеверный страх и праздное удивление сменились трезвой оценкой «инженерности» созданий природы. Природа — не храм, куда приходят воздать хвалу творцу, а мастерская, где работают сейчас инженеры — разведчики тайн.
Эволюция создавала живые механизмы жестоким методом проб и ошибок, причем плата за ошибку была необычайно высокой — иногда жизнь целого вида. Так, погибли когда-то гигантские пресмыкающиеся, «механическая» конструкция которых зашла в тупик, не удовлетворяя требованиям естественного отбора.
Изобретения человека тоже проходили длительный путь с таким же отсеиванием временных или ошибочных решений. Кто вспоминает сейчас о проектах кораблей с механическими веслами, об угольных лампочках накаливания? И разве случайно неуклюжие когда-то попытки взлететь, слепо копируя крылья птицы, заменились тщательным изучением устройства и аэродинамики машущего крыла? В природе создавались «конструкции», в которых после многовекового отсеивания ошибок эволюция нашла очень совершенное инженерное решение. Вот такие решения человек и может перенять, пропустив этап долгих промежуточных проб.
...Длинная вереница инженеров-биоников движется сейчас по залам необыкновенной «выставки». На ней экспонируются работы мастерской природы. И в каждом из залов очередной специалист отстает от общей группы, чтобы с линейкой и блокнотом неторопливо подумать, чего он еще не нашел и в чем он уже обогнал творения природы, не оставившей после себя, к сожалению, ни чертежей, ни пояснений.

Тысячи тысяч тайн предстоит раскрыть биологам и инженерам, работающим бок о бок в лабораториях бионики. Каждая из них представляет определенный интерес для той или иной области техники. Но есть одна, пожалуй, самая захватывающая и самая важная тайна — это мозг человека и высших животных. Как он устроен и как работает? Сегодня этот вопрос интересует не только биолога и врача, но и инженера. Последний хочет овладеть тайнами удивительных способностей живых организмов и использовать их в технике. Он хочет строить машины, которые были бы «знающими и умными», могли бы помогать человеку не только своей физической силой, но и силами своих знаний. А для того чтобы строить такие «думающие» машины, необходимо не только хорошо знать физику и математику, необходимо любить и знать биологию.
Мы уже говорили о том, что даже насекомые обладают способностями, оставляющими далеко позади совершенства человеческой техники. Самые лучшие электронные машины, в том числе и собранные на полупроводниковых элементах, громоздки и весьма капризны в эксплуатации. Они не выносят жары, мороза, сырости, тряски и прочих внешних воздействий, которые живые организмы, а следовательно, и их мозг легко преодолевают.

Мозг — очень экономичная и исключительно надежная система. Каждый из многих миллиардов элементов этого самого совершенного устройства работает точно и без перебоев в течение всей жизни. При этом мозг, перерабатывая в сжатые сроки огромную по объему и содержанию информацию, без особого труда управляет всеми многообразными процессами, происходящими в живом организме.
Изучение мозга поможет раскрыть принципы восприятия, преобразования, передачи, накопления и использования информации в живых организмах и даст возможность воплотить их в радиоэлектронных системах автоматического управления.

Еще не успеет зима снять свое белоснежное покрывало с лесов и полей нашей необъятной Родины, как воздух городов и деревень наполняется веселым гомоном перелетных птиц. Они несут весть о наступлении весны. Тысячи километров пролетают птицы над морями, океанами и материками, прежде чем возвратятся на родину. Но как они находят путь? Что служит для них ориентиром? Луна? Солнце? Звезды? А может быть, магнитное поле Земли? В последние годы этому вопросу уделяется особо пристальное внимание, так как раскрытие тайн и загадок природы имеет огромное значение для науки и техники.
В самом деле, разве не заманчиво получить новые технические устройства, которые по своим минимальным размерам и ничтожной затрате энергии, по способности к быстрому саморегулированию в различных условиях приближались бы к характеристикам, которыми обладают живые существа?
Разве не достойны исследования и использования в технике принципы, на которых основаны системы наблюдения, связи, обнаружения и ориентации насекомых и рыб или механизмы реактивного движения и сверхдальней навигации обитателей морских глубин?
Нужно сказать, что человек очень давно начал использовать в своих интересах живую природу. Он приручал животных, совершенствовал сельское хозяйство. Многое из своих творений он заимствовал у природы. Однако с годами такое заимствование стало приобретать все более целеустремленный характер. Это объясняется тем, что в развитии и дальнейшем совершенствовании современной техники возникли большие трудности, преодоление которых обычными инженерными путями оказалось невозможно.
Если окинуть взглядом достижения науки и техники только за последние два-три десятилетия, то даже самый неполный список созданного человеком займет многие страницы увесистого тома. Здесь и атомные электростанции, и космические корабли, и электронно-вычислительные машины, станки с программным управлением и приборы, позволяющие наблюдать самые скрытые процессы, происходящие в мозгу человека...

Отдыхая летом в пионерском лагере или в деревне, вы не могли не любоваться природой. Вас привлекало пение птиц, громкий всплеск рыбы в озере, трудолюбивая и дружная работа муравьев и пчел. Но даже сидя у себя дома можно увидеть немало любопытного, а порой и загадочного. Действительно, вот по
потолку ползет муха, а почему она не падает? Все видели моль, но вряд ли кто из вас знает, что она вооружена чувствительнейшим микроскопическим прибором, который позволяет улавливать ультразвуки, излучаемые летучей мышью во время полета? Стоит лишь моли услышать эти звуки, как она тотчас же складывает крылышки и пикирует на землю, стремясь скрыться от прожорливого хищника. Обыкновенная моль — и обладает таким замечательным прибором!

Многое из того, что нас окружает, кажется нам иногда обыденным и неинтересным, совершенно незаслуживающим внимания. И в самом деле, стоит ли заниматься всеми этими жучками-паучками? Оказывается, стоит! И прежде всего потому, что сейчас прогресс науки и техники немыслим без серьезного изучения животных и растений. Более того, можно с уверенностью сказать, что без глубоких знаний биологии вряд ли можно рассчитывать на существенные успехи в деле завоевания космического пространства.

Взгляните на лица окружающих вас людей: один глаз чуточку больше прищурен, другой меньше, одна бровь изогнута более, другая — менее; одно ухо выше, другое ниже. К сказанному добавим, что человек больше пользуется правым глазом, чем левым. Понаблюдайте-ка, например, за людьми, которые стреляют из ружья или лука.
Из приведенных примеров видно, что в строении тела человека, его привычках ясно выражено стремление резко выделить какое-либо направление — правое или левое. Это не случайность. Подобные явления можно отметить также и у растений, животных и микроорганизмов.
Ученые давно обратили на это внимание. Еще в XVIII в. ученый и писатель Бернарден де Сен Пьер указывал, что все моря наполнены одностворчатыми брюхоногими моллюсками бесчисленного множества видов, у которых все завитки направлены слева направо, подобно движению Земли, если поставить их отверстиями к северу и острыми концами к Земле.
Но прежде чем приступить к рассмотрению явлений подобной асимметрии, мы выясним сначала, что такое симметрия.Для того чтобы разобраться хотя бы в главных результатах, достигнутых при изучении симметрии организмов, нужно начать с основных понятий самой теории симметрии. Вспомните, какие тела в быту обычно считают равными. Только такие, которые совершенно одинаковы или, точнее, которые при взаимном наложении совмещаются друг с другом во всех своих деталях, как, например, два верхних лепестка на рисунке 1. Однако в теории симметрии, помимо совместимого равенства, выделяют еще два вида равенства — зеркальное и совместимо-зеркальное. При зеркальном равенстве левый лепесток из среднего ряда рисунка 1 можно точно совместить с правым лепестком лишь после предварительного отражения в зеркале. А при совместимо-зеркальном равенстве двух тел их можно совместить друг с другом как до, так и после отражения в зеркале. Лепестки нижнего ряда на рисунке 1 равны друг другу и совместимо, и зеркально.
Из рисунка 2 видно, что наличия одних равных частей в фигуре еще недостаточно, чтобы признать фигуру симметричной: слева они расположены незакономерно и мы имеем несимметричную фигуру, справа — однообразно и мы имеем симметричный венчик. Такое закономерное, однообразное расположение равных частей фигуры относительно друг друга и называют симметрией.
Равенство и одинаковость расположения частей фигуры выявляют посредством операций симметрии. Операциями симметрии называют повороты, переносы, отражения. Для нас наиболее важны здесь повороты и отражения.

Имеется ли жизнь на других планетах? Каковы ее формы и свойства? Может ли жизнь быть занесенной с одного небесного тела на другое? Все эти вопросы издавна интересуют людей.
Крупнейшие ученые в различные эпохи высказывали глубокую уверенность в том, что жизнь существует не только на нашей планете. Но строго научного, неопровержимого доказательства этих предположений пока еще нет.
Попытки решить вопрос о существовании жизни, например, на Марсе путем наблюдений с Земли при помощи оптических инструментов встречают большие трудности. Они связаны с огромным расстоянием и с тем, что на пути исследователей стоят две атмосферы: земная и марсианская. С помощью точных приборов ученым-астроботаникам удалось обнаружить в темных областях (их называют морями) Марса спектры поглощения, которые характерны для органических веществ биологического происхождения. Но это служит лишь косвенным указанием, что на этой планете возможна жизнь.
В некоторых метеоритах, например в Муррейском, обнаружены органические вещества внеземного происхождения, близкие к веществам земных организмов. Это также может указать на то, что в космическом пространстве за пределами Земли имеется органическое вещество и что оно может быть перенесено вместе с метеоритами с одной планеты на другую.
В последние годы благодаря полетам в космическое пространство с помощью ракетных аппаратов стало возможно изучать вопросы существования жизни вне Земли опытным путем. Часть космической биологии — экзобиология — занимается поисками и изучением простейших форм жизни в космическом пространстве, а также изучением жизни на других планетах.
Ученые устанавливают на ракетах и искусственных спутниках специальные приборы и направляют их за пределы земной атмосферы. Благодаря этому они изучают поверхность других планет, исключая помехи, вносимые атмосферой Земли. С помощью автоматических устройств, размещенных на искусственных спутниках, ракетах и автоматических межпланетных станциях, имеется возможность брать пробы в космическом пространстве, для того чтобы обнаружить органические вещества, микроорганизмы и споры внеземного происхождения. Наконец, посылка межпланетных автоматических станций к различным планетам и в особенности посадка аппаратов на другие планеты позволят брать пробы непосредственно с их поверхности. Эти исследования помогут решить вопрос о существовании жизни вне Земли.

Одна из главных и чрезвычайно сложных проблем, которую предстоит решить космической биологии,— это создание на борту космических кораблей замкнутых экологических комплексов. Что это такое? Зачем они нужны?
Прежде чем будут осуществлены полеты к другим планетам, которые продлятся многие месяцы и, возможно, годы, инженеры, врачи, биологи должны разработать и создать особые системы, которые неограниченно долго могли бы обеспечивать жизнь людей в космическом корабле, а в случае высадки на другие планеты снабдили бы их всем необходимым для нормальной жизни.
В условиях космического полета человек неизбежно оказывается в сравнительно небольшом герметичном пространстве кабины космического корабля. В то же время известно, что при нормальной работе организма человек потребляет в сутки около 900 г кислорода, 2200 г воды (для питья), около 500 г сухой пищи и примерно 1900 г воды для санитарных нужд. Вес суточной потребности человека в кислороде, пище и воде составляет примерно 5,5 кг. Значит, годовой запас этих веществ для одного только космонавта будет весить около двух тонн. Если предположить, что экипаж космического корабля состоит из пяти человек и летать ему предстоит три года, то только запасы воздуха, еды и питья будут весить около 30 т. Ясно, что стартовый вес такого корабля будет слишком большим. Кроме того, время полета и пребывания космонавтов на других планетах будет строго ограничено совершенно определенным сроком времени, так как запасы, взятые с Земли, истощатся и люди могут погибнуть. Ученые полагают, что снабжение космонавтов кислородом, пищей и водой и удаление накапливающихся в результате жизнедеятельности углекислоты и различных отходов можно осуществить, если на борту корабля и на планетных станциях разместятся и рационально скомпонуются сообщества различных организмов. Только таким образом возможно обеспечить полный биологический круговорот веществ, подобный земному.
Действительно, на нашей планете в течение многих миллионов лет протекают процессы дыхания, горения и другие окислительные процессы, в результате которых непрерывно тратятся органические вещества, потребляется кислород, рассеивается энергия. Казалось бы, что уже давно должны были иссякнуть запасы пищевых продуктов, топлива, кислорода и прекратиться жизнь. Однако этого не происходит, потому что на Земле, помимо потребления органических веществ, кислорода и траты энергии, протекает грандиозный процесс созидания. В результате этого процесса, происходящего в зеленых листьях растений и называемого фотосинтезом, создаются сложные и многообразные органические продукты и выделяется кислород. Благодаря фотосинтезу за счет даровой энергии солнечного света ежегодно связывается около 175 млрд. т углерода, образуется примерно 400 млрд. т органических веществ, выделяется 460 млрд. т кислорода и накапливается столько энергии, сколько могли бы дать 200 тыс. гигантов энергетики, подобных Куйбышевской ГЭС.

При полете в космическое пространство живые организмы сталкиваются с условиями и явлениями, по своим свойствам отличающимися от того, с чем встречаются они на Земле.
Во время космического полета встречаются факторы, которые способны оказать влияние на живые организмы. Их делят на три группы.
Факторы, связанные с динамикой полета космического корабля. При старте ракеты и с возрастанием скорости ее движения возникают и быстро увеличиваются перегрузки. Вес всех тел, в том числе и размещенных в кабине космического корабля живых организмов, быстро растет, увеличиваясь в пять — десять, а иногда и в большее число раз по сравнению с их весом на Земле.Если не предусмотреть определенных мер, то живые организмы могут оказаться раздавленными собственным весом. Кроме того, во время работы мощных двигателей ракеты возникают сильные шумы, появляются вибрации. Вслед за этим, с выходом космического корабля на орбиту или траекторию свободного полета, в корабле наступает состояние невесомости. Тела «теряют» свой вес и могут свободно «парить» в пространстве.
Изучение воздействия на живые организмы всех этих явлений: перегрузок, вибраций, шумов, невесомости — важная задача космической биологии.
Особенно необходимо изучить воздействие на живые организмы длительного состояния невесомости, столь характерного для космического полета. Данные, полученные при проведении биологических опытов на кораблях-спутниках в результате полетов советских космонавтов, показывают, что состояние невесомости не отражается плохо на жизнедеятельности организмов, координации движений и ориентировке человека в пространстве. Однако еще не ясно, как скажется на земных организмах длительное пребывание в состоянии невесомости, допустим, при полете вокруг Марса или Венеры. Не получится ли так, что возвращение земных организмов в условия нормального (земного) притяжения будет для них чрезмерной нагрузкой.

Методы исследования, применяемые космической биологией, не такие, как у давно сложившихся биологических дисциплин. Для этих методов характерна органическая связь с самыми различными областями естествознания и техники. Космическая биология широко использует достижения физики, химии, астрономии, геофизики, радиоэлектроники и многих других наук.
При проведении биологических экспериментов в космосе исследователь находится вдалеке от изучаемых животных, растений, микроорганизмов. Между ученым и космическим аппаратом с земными организмами лежат сотни, тысячи (а иногда и миллионы) километров. В связи с этим все необходимое для опыта в полете делают автоматические устройства, действие которых заранее программируется. Результаты опытов передаются на Землю с помощью особых приборов, которые все вместе называются радиотелеметрической системой.
Для того чтобы эти результаты можно было бы передавать по радиотелеметрическим линиям, соответствующие приборы преобразуют физиологические и биологические показатели (частоту дыхания, работу сердца, нервное возбуждение, скорость роста, интенсивность фотосинтеза растений, скорость размножения водорослей или бактерий и др.) в электрические сигналы, которые в виде специальных кодов передаются на Землю. Полученная таким образом «закодированная» информация о жизнедеятельности организмов в космосе направляется в быстродействующие счетно-решающие вычислительные машины. Здесь результаты опытов расшифровываются и обрабатываются. Затем ученые их тщательно изучают.

Развитие астронавтики поставило перед различными областями науки большие и сложные проблемы. В связи с этим возникли новые отрасли знания и среди них — космическая биология.
Космическая биология изучает влияние условий полета в космос и факторов космического пространства на живые организмы Земли. Она исследует вопрос о том, как обеспечить жизнь в условиях космических полетов и на внеземных и планетных станциях. Кроме того, космическая биология разыскивает живую материю
и органические вещества в мировом пространстве и изучает особенности и формы внеземной жизни.
Необходимость проводить специальные биологические исследования при освоении космического пространства предвидел еще в 1908 г. К. Э. Циолковский. Он говорил, что после создания искусственного спутника Земли, который будет без повреждения возвращаться на Землю, надо решать биологические проблемы, связанные с обеспечением жизни экипажей космических кораблей.