Помоги проекту - поделись книгой:
«Смысл в том, что этих насекомых надо ловить зимой, а не летом, как все думали, — говорит Алексей Полилов. — Сейчас я уже точно знаю, где они живут, приезжаю и за 2 часа набираю сотни и даже тысячи экземпляров».
В ходе исследований А. А. Полилов выделил определенные черты, свойственные миниатюрным насекомым, среди которых, с одной стороны, общая схожесть их строения со строением более крупных особей, а с другой — ряд уникальных особенностей, обусловленных миниатюризацией. В частности, они включают в себя особое строение кровеносной и дыхательной систем.
Помимо этого выяснено также, что размеры внутренних органов при уменьшении размеров организма меняются непропорционально (например, половая и нервная системы гораздо больше относительно размеров тела у миниатюрных насекомых, чем у крупных видов).
В довершение были выделены ступени миниатюризации и впервые сформулированы гипотезы о факторах, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров тела. В частности, одно из ограничений связано с числом Рейнольдса; то есть, говоря попросту, сверхмалым насекомых становится трудно летать. Но главное — дальнейшему уменьшению препятствуют минимально допустимые размеры нервной системы и органов чувств. Меньше, чем у этих насекомых, они быть уже не могут.
Это открытие важно не только для энтомологии. По сути, А. Полилов занимается одной из ключевых проблем науки — эволюцией жизни. Почему она приобретает те или иные формы, дает «добро» одним видам и отсекает другие? Как известно, каждый вид животных выбирает свой путь эволюции. К примеру, позвоночные в основном увеличивались в размерах, а насекомые пошли в противоположную сторону — миниатюризации. И получили ряд преимуществ. Так, им требуется меньше энергии и пищи. Чем насекомое миниатюрнее, тем легче ему прятаться от врагов. А еще у них чаще смена поколений и, при необходимости, быстрый прирост популяции.
Наиболее совершенную «конструкцию» среди микронасекомых имеют микроскопические осы Megaphragma, которых как раз изучает А. А. Полилов. «Мы обнаружили неожиданный факт: нейроны взрослых ос практически лишены ядер, — говорит ученый. — Это феномен. Ведь в природе нет живых существ, у которых нервная система не имеет ядер. Установлено также, что для обеспечения жизнедеятельности насекомому достаточно нервной системы всего лишь из 7 400 таких безъядерных нейронов»…
Почему природа пошла на такой эксперимент? По мнению Полилова, все дело опять же в миниатюризации. У куколки этой осы нейроны, как и положено, оснащены ядрами, но из-за этого нервная система получается аномально большой. Она занимает около 17 процентов объема тела и поглощает много энергии. Природа нашла неожиданный выход. Она убрала ядра из нейронов, сжав нервную систему до предела. В итоге оса стала размером с одноклеточную амебу. Но вот что самое поразительное. По сути, лишившись нервной системы, оса ничуть не потеряла в интеллекте. Она летает, находит себе добычу, размножается.
«Сейчас мы пытаемся разобраться с памятью осы, — говорит ученый. — Считается, что она связана с белковым синтезом, который невозможен без ядер в нейронах. Так вот, пока не ясно, что и как вообще может помнить такая оса. Но она явно помнит многое».
Еще лет двадцать тому назад «исследования строения мельчайших насекомых и пределов миниатюризации животных» (именно так звучит название этого исследования), скорее всего, заинтересовали бы лишь небольшое число энтомологов. Но в наше время полученные А. А. Полиловым результаты открывают новые возможности для целого ряда биотехнологических и биоинформационных направлений, среди которых микроробототехника, нанооптика, моделирование нейронных сетей, геномика.
ПО ПАТЕНТУ ПЧЕЛЫ
Берлинские исследователи из Свободного университета создали мини-машину, способную для навигации в пространстве имитировать работу сенсорно-двигательной системы пчелы. По внешнему виду это как бы игрушечная танкетка на гусеницах. На самом деле это робот, способный реагировать на поступающую извне информацию, менять маршрут своего движения, останавливаться и выполнять многие другие действия.
В основу «искусственного разума» положена модель нервной системы пчелы. Компьютерная программа в упрощенном виде воспроизводит функционирование сенсорно-двигательной сети насекомого и по мере необходимости отдает команды системе управления компактным гусеничным роботом DFRobotShop Rover V2.
Кстати, эта машина базируется на вычислительной платформе Arduino, знакомой читателям «ЮТ» и приложения «Левша». Как мы уже рассказывали, Arduino представляет собой электронный «конструктор» для новичков и профессионалов робототехники. Основные компоненты платформы — плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring.
«Глазами» роботу служит миниатюрная камера, установленная на борту DFRobotShop Rover V2. Сигнал с нее поступает в искусственную нервную сеть, которая после обработки подает управляющие сигналы на электромоторы и тем самым контролирует направление и скорость движения робота.
Особенностью же робота является то, что он может самообучаться, сопоставляя определенные события с правилами поведения, записанными в программе. Подобно тому, как пчела ассоциирует те или иные цвета растений со вкусом нектара, машина учится приближаться к объектам одного цвета и игнорировать объекты другого.
Во время экспериментов исследователи размещали робота в центре небольшой арены. На ее стенах располагали объекты красного и синего цвета. Как только камера машины фокусировалась на метке определенного цвета — скажем, красного, — ученые активировали яркую вспышку. Это событие вырабатывало в нервной сети своего рода искусственный рефлекс.
В итоге, когда машина в очередной раз фиксировала объект красного цвета, она незамедлительно направлялась в его сторону. Попавшие в поле зрения объектива синие метки, напротив, заставляли робота перемещаться в обратном направлении. Причем робот способен выполнять задачу по поиску объекта нужного цвета и перемещению к нему за считаные секунды.
РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
Для чистоты одежды
По радио говорили, что студент из г. Сан-Франциско изобрел футболку, которую невозможно запачкать. Это шутка?
Не верится, что со стиркой можно будет покончить раз и навсегда.
Исследователи давно уже работают над созданием самоочищающихся волокон и покрытий. К концу ХХ века было предпринято несколько реальных попыток создать непачкающиеся материалы. А недавно американские химики создали покрытие, которое способно заставить любую поверхность отталкивать любую жидкость, пишет журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для демонстрации свойств этого материала ученые покрыли новым составом гусиное перо, и оно стало отталкивать даже легчайший жидкий углеводород — пентан. Между тем он смачивает даже тефлон.
В чем здесь хитрость? Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института вместе с коллегами создали сверхтонкую сеть из хитро переплетенных полимерных волокон. Эта сеть, накинутая на любую поверхность, делает ее несмачиваемой для всех жидкостей.
«В принципе, наносить текстуру, препятствующую смачиванию, можно будет и на одежду, и даже на стенки топливных баков ракетных двигателей, использующих для работы агрессивные химические компоненты», — утверждает Гаррет Маккинли.
Эта разработка вызвала новую волну интереса к так называемому «эффекту лотоса», рассказала недавно на президиуме Российской академии наук член-корреспондент РАН Людмила Борисовна Бойнович. Ученые Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, где она работает, провели серию исследований так называемых супергидрофобных материалов.
Интерес к ним начался еще в ту пору, когда люди впервые заметили, что цветы лотоса, произрастающего в дельте Нила, остаются неизменно чистыми в самой грязной воде. «При ближайшем рассмотрении выяснилось, что при соприкосновении с поверхностью цветка капля воды принимает форму, близкую к сферической, и тут же скатывается, захватывая при движении все загрязнения», — пояснила Людмила Борисовна.
При дальнейшем рассмотрении эффекта исследователи установили, что супергидрофобность поверхности в природе свойственна многим растениям и даже насекомым. И тогда ученые попытались воссоздать подобный эффект в лаборатории. В конце концов, им удалось синтезировать несмачиваемые материалы.
Проверка показала, что обработка супергидрофобными материалами фасадов и стекол зданий делает излишним их мытье — первый же дождь или снегопад унесет с собой всю грязь.
Но в чем секрет таких материалов? Почему жидкости не держатся на их поверхности?
Дело в том, что вся поверхность покрыта своеобразным узором из выемок и бугорков, которые влияют не только на форму капли на поверхности, но и на направление действия капиллярных сил.
Именно этот геометрический аспект и использовали американские и российские ученые для создания покрытий, которым уже успели придумать новое название — омнифобные (всеотталкивающие).
Хотя секрет открытия лежал на поверхности, Маккинли и его коллеги оказались первыми, кому удалось определить зависимость механических свойств поверхности от 4 геометрических параметров, определяющих периодичность элементов с входящими углами, их размеры, сами углы и высоту текстуры. Только при их правильной комбинации получающаяся текстура оказывается способной отталкивать жидкости, прекрасно смачивающие ровную поверхность того же материала.
Отработав свою методику создания омнифобных поверхностей на обычных кремниевых пластинах, ученые приступили к созданию покрытия, которое можно нанести на практически любой материал. Поверхностная текстура в этом случае получается с помощью нитей полиметилметакрилата, заплетенных в сложную структуру с помощью электростатики. К этим нитям ученые добавили молекулы-многогранники из фторированных органических соединений — силсесквиоксанов.
Описанная методика создания несмачиваемых материалов — не единственная в своем роде. Так, технология, разработанная группой Джоанны Айзенберг, получила название SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces — несмачиваемые пористые поверхности, пропитанные жидкостью). Пористые покрытия, создаваемые с ее помощью, — настоящие панафобы (от англ. раnрhobiа — боязнь всего), поскольку плохо смачиваются практически любой жидкостью — водой, солевыми растворами, нефтью.
Как и раньше, идея нового материала была заимствована у природы — на сей раз у непентеса кувшинчикового, известного своим хищническим характером. Благодаря уникальным свойствам «цветка» этого растения — ловчего кувшина, образованного пластинкой листа, — севшее на него насекомое мгновенно соскальзывает внутрь, попадая в смертельную ловушку.
«Согласно недавним исследованиям, основную роль в захвате насекомых цветком играет так называемый перистом — структура у входа в кувшинообразную ловушку, — полагает научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова Мария Раскина. — Поверхность перистома содержит микроскопические впадины между соседними эпидермальными клетками — своеобразные поры, в которых находится смазка — вода или нектар. Вода может попадать туда во время дождя или вследствие конденсации влаги из воздуха. Нектар же выделяют многочисленные железы цветка». На этой смазке насекомое соскальзывает в ловушку.
Свойства SLIPS-покрытий делают их идеальными для использования в качестве покрытий нефте- и водопроводов, для борьбы с обледенением. Кроме того, прозрачность таких соединений в видимом и ближнем ИК-диапазонах, способность к самоочищению позволяют покрывать ими поверхности солнечных батарей, линз, различных датчиков, приборов ночного видения. Могут пригодиться они в борьбе с биозагрязнением поверхности медицинских приборов и инструментов. Панафобная натура SLIPS-материалов предопределяет их применение и в качестве защитных покрытий на порогах жилищ от насекомых, а также корпусов морских судов — от биообрастания.
Словом, можно ожидать, что вскоре на смену супергидрофобным материалам придут омнифобные и панафобные. И тому уже есть первые примеры.
На основе полученных знаний команда американских инженеров Мичиганского университета разработала инновационный материал, который может избавить автовладельцев от необходимости мыть машину. Покрытие также можно использовать для создания грязеотталкивающей одежды и водостойких красок, которые уменьшат сопротивление кораблей во время плавания. Материал, получивший название Superomniphobic, отталкивает шампуни, кремы, глину и даже чернила. Он состоит из смеси резиновых и пластиковых частиц, а также нанокубиков, содержащих углерод, фтор, кремний и кислород.
Похоже, что подобные нанопокрытия вскоре отправят в отставку и такую технологию, как стирка. Во всяком случае, американские военные недавно открыли тайну. Физик Куок Труонг из Натикского центра исследований, разработки и проектирования снаряжения военнослужащих армии США вместе с коллегами разрабатывает одежду, которая всегда будет оставаться чистой, что очень важно в полевых условиях.
И уж конечно, такой одежде весьма обрадуются мамы малышей, которых приходится переодевать по сто раз на дню. «Как отец четверых детей, я хорошо понимаю необходимость самоочищающейся одежды для подрастающего поколения, — говорит К. Труонг. — Так что когда мне предложили создать такую, я согласился с радостью».
Исследователь и в самом деле смог создать прочную ткань с двойной микро- и наноархитектурой. Секрет заключается в особом покрытии, которое крайне эффективно отталкивает воду, пыль, токсичные химикаты и прочие вещества.
Ткань Труонга уже испытывалась на полигоне в течение 10 суток по 15 часов в день. В результате около 70 % солдат заявили, что новую одежду следует как можно быстрее поставлять в войска. А специалисты подтвердили, что она полностью соответствует всем требованиям по долговечности, паропроницаемости, стойкости к истиранию и прочности на разрыв.
Что же касается футболки студента, с которой начат этот разговор, то подробности таковы. Она сделана из полиэстера, который был пропитан комбинацией нескольких химикатов, сделавших ее водонепроницаемой. Полученная поверхность отталкивает любую жидкость, будь то сладкая вода, кетчуп, пиво, чернила или вино. Причем сам изобретатель утверждает, что футболка на ощупь ничем не отличается от других товаров из магазинов одежды.
СУМАСШЕДШИЕ МЫСЛИ
Аэроковчеги профессора Родионова
…Представьте себе: над землей проплывает «летающая тарелка» диаметром километра четыре, никак не меньше. Но к инопланетянам она не имеет ровным счетом никакого отношения. Таким представил слушателям недавних Зигелевских чтений будущее жилье жителей планеты Земля доктор физико-математических наук, профессор кафедры микро- и космофизики МИФИ
Профессор Родионов вообще человек необычный. Несколько лет назад, например, он попытался представить, как могут выглядеть жители Европы — одного из спутников Юпитера.
По его мнению, местная цивилизация представлена некими гигантскими разумными червями, которые живут и перемещаются в сети трубопроводов, проложенных ими под ледяной поверхностью спутника.
Изображения этих трубопроводов в виде прямых линий видны на некоторых снимках Европы.
На сей раз профессор рассказал в своем выступлении еще об одном интересном проекте, разработанном им. Говоря коротко, ученый предлагает построить эскадру этаких аэроковчегов, каждый из которых будет диаметром в несколько километров. «Гигантские аэроубежища — ГАУ — могут показаться фантастикой, но, как инженер, уверяю вас: это все реально, в рамках наших технических возможностей», — сказал Родионов.
Аэростат в форме приплюснутого сфероида наполняется гелием, объяснил профессор. Общая площадь поверхности должна составлять 6 кв. км, объем — 16 куб. км. «На 10 этажах в достаточно комфортных условиях сможет поместиться 10 млн. человек, — полагает ученый. — То есть на одного человека придется 25 кв. м, не считая общих площадей, где можно разместить фермы с животными, сады, водоемы, технические помещения».
В центре сфероида — пункт управления и силовая установка. Энергию также можно получать от солнечных батарей, благо поверхность сфероида огромна, и от ветряных генераторов, размещенных по периметру. Эти «вертушки», по расчетам Родионова, могут давать порядка 10 гигаватт энергии. Электричество понадобится в основном для отопления жилых помещений, поскольку в целях безопасности аэростат придется иногда поднимать выше облачного покрова, километров на восемь, где температура минус 30…40 градусов.
Грузоподъемность такого аэростата: у Земли — около 16 млн. т, над облаками — от 5 до 8 млн. т. Технологии для строительства подобных аппаратов у человечества уже есть, полагает Борис Устинович. «Для строительства аэростата не требуется что-то особенное, его можно строить блочным способом из пеностекла, — сказал профессор. — Это сравнительно дешевый и доступный материал — наши дачники его в магазинах покупают и дома свои утепляют. Есть и перспективные материалы, например, на основе углеродных нанотрубок. Обшивка толщиной в лист бумаги сможет выдержать давление 7 т на кв. мм».
Поделиться книгой: