Использование человеком в хозяйственной деятельности принципов организации растений и животных. Бионика - наука и ее место в жизни человека

Содержание реферата

1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность
2. Аналоги природных форм в медицине
3. Принципы бионики на службе у медицины
Заключение
Список литературы

1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность

Формальной датой рождения одной из новых наук, возникшей в современном нам ХХ в., бионики, принято считать 13 сентября 1960 г. - день открытия первого американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем - ключ к новой технике». Однако, само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.
Название «бионика» происходит от древнегреческого корня «bion» - элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы.
Сразу же возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение научной сути бионики, - синтезировать накопленные в различных науках знания. Присущий ХХ в. интенсивный процесс разъединения, дробления научных дисциплин, крайняя степень конкретизации целей и задач отдельных наук привели к возникновению более полутора тысяч отраслей знаний. В течение достаточно длительного отрезка времени такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию большинства отраслей науки и техники, но в настоящее время узкая специализация ученых затрудняет познание, и появляется настоятельная потребность в интеграции результатов научных исследований на основе единых, всеобъемлющих принципов.
Первой попыткой к новому объединению явилась кибернетика, основным интеграционным принципом которой стала всеобщность методов управления живым и неживым и их связи.
Бионика же во многом является логическим продолжением кибернетики, но она устраняет противоречия, ставшие результатом специализации наук и их разобщения, и интегрирует разнородные сведения в соответствии с единством живой природы, или биологическим принципом. Поэтому эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом - «Живые прототипы - ключ к новой технике».
Единого мнения о содержании бионики - едва ли не самой популярной из молодых наук, возникших в ХХ в., - до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку.
Обращаясь к наиболее устоявшемуся определению, можно сказать, что бионика - это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Бионику также можно назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых максимально приближены к характеристикам живых систем.
Как и у большинства наук, структура бионики неоднородна. В настоящее время принято выделять три методологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое.
Биологическая бионика базируется на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.
Содержанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.
Сферой деятельности технической бионики является реализация математических моделей или иных сторон деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.
В процессе продолжительной эволюции природа создала на Земле бесчисленное множество живых организмов, многие из которых по праву могут быть отнесены к «живым инженерным системам», функционирующим очень точно, научно и экономично, отличающимся поразительной точностью, целесообразностью, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.
Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине - той отрасли биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь.
Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения.
Когда в одном из свои странствий Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на пари, смыслом которого было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать, что заложенный в них принцип использовали животные до того, как до этого додумался человек, одним из изобретений было названо использование осами анестезии. При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они применяют методы, которые любой врач может назвать методами проводниковой анестезии - укус с впрыскиванием нейроплегического (нервнопаралитического) вещества в область крупных нервных стволов полностью парализует, но не умерщвляет паука, который недвижимо лежит в осином гнезде вплоть до появления из кладки личинок, для которых и заготавливалась эта пища.

2. Аналоги природных форм в медицине

Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой - всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением.
Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых - комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы - формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.
Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.

3. Принципы бионики на службе у медицины

Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков представлялось кране ограниченным. Однако результаты современных исследований утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам руки биотоки - слабый электрический сигнал - и тогда, когда нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к. импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений (мышцы) отсутствует.
Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалом, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и весьма громоздкую систему усиления и преобразования снимаемых с какой-либо мышцы биоэлектрических сигналов. Первая искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа «сжать пальцы», «разжать пальцы» и простейшее чередование этих команд, без восприятия сигналов регулирующего типа, сообщающих, с какой силой должно производиться движение. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой «железной рукой», неизбежно заканчивалась бы травмой.
Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине «семимильными шагами», и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам конгресса». Кистью протеза, которая четко сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений, достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых было становление обратной связи, возможности ощущать протез.
Чуть позже, на конференции по бионике, проходившей в Баку, был продемонстрирован макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев, созданными из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием  давления на датчики сигналы от них изменяют частоту вибраций зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг. В настоящее время наиболее перспективными представляются датчики с использованием костно-вибрационных и электрокостных раздражений, однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необходимо еще значительное время, заполненное экспериментами и научно-исследовательской работой.
Другим аспектом применения биотоков в медицине является их использование в лечении парезов и параличей, коррекции ряда патологических состояний при беременности, а возможно, и для облегчения состояния больных полиомиелитом и детским церебральным параличом, сколько-нибудь адекватного лечения которых в настоящее время не существует.
Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой гипотермии (т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для замедления обменных процессов в тканях и органах). Но мало кто знает, что именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза - состояния глубокой спячки - многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном состоянии, потребление энергетических субстратов.
Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания автоматического желудочно-кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии.
Возвращаясь к протезированию конечностей, следует отметить, что еще один современный тип протезов, применяющихся в основном для протезирования нижних конечностей, а точнее - протезы на силиконовой основе, также содержит в основе своей природный принцип - принцип гидравлического строения ходильных ножек паука, движения которых основаны на переходе состояния биологического коллоида по типу «гель-золь».
В какой-то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся полупроницаемостью.
Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное.
Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины.
Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых-физиологов: низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый «радиозуб» - систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного-единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости.
Конструкцию аппарата можно описать приблизительно следующим образом: миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же миниатюрным передатчиком, преобразующим звук в радиосигналы, которые улавливает приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой полупроводникового сплава, наложенного на свободные нервные окончания, находящиеся в зубном канале. Этот полупроводниковый сплав образует пьезоэлектрический элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который служит антенной. По внешнему виду такая конструкция практически ничем не отличается от привычных в современной ортопедической стоматологии металлизированных пломб и коронок.
Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации.
В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана электронная  модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике.
Модель американских ученых В. Колдуэлла, Э. Гленера, Дж. Стюарта предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произносящиеся разными людьми. Эти исследования могут послужить как для медицинских целей в плане создания более совершенных слуховых аппаратов, так и для совершенствования компьютерной техники.

Заключение

Таким образом, уже из нескольких примеров можно сделать вывод о значительной роли бионики в современном научном мире, причем не просто как абстрактной науки, не лишенной небольшого прикладного значения, а как базисной основы современной техники и технологий. Природа оттачивала свое инженерное мастерство неисчислимое количество лет, что и объясняет детальную, даже миниатюрную отточенность функций и форм природных объектов. Человек обладает инженерным мастерством сравнительно недавно, значит, его обращение к природным объектам принципиально верное и сулит в будущем много интересного и неожиданного, а следовательно обусловливает развитие одной из новых наук - бионики.

Список литературы

1. Березин Ф. Б. Психологическая и психофизическая адаптация человека. Л.: Наука, 1988.
2. Джеральд Дарелл. По всему свету. Зеленая серия. М.: Армадо-пресс, 2001.
3. Венчиков А. И. Биотоки. М.: Медиз, 1962.
4. Матюхин В. А., Разумов А. Н. Экологическая физиология человека и восстановительная медицина. М.: ГОЭТАР «Медицина», 1999.
5. Пуговкина Н. А. Общая биология. М.: «просвещение», 1990.
6. История медицины: Сборник очерков. Изд-во Волгоград. мед. акад., 1994.
7. Удивительное в мире животных /под ред. Константинова А. С., Лариной Н. И. Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1970.