Geum.ru

Курс лекцій з основ біології для самостійної роботи студентів спеціальності 090804

Вид материалаКурс лекцій
Сприятливість і резистентність організму хазяїна.
Шляхи розселення і проникнення паразитів в організм хазяїна
Шляхи проникнення паразита в організм людини
Механізми передачі паразита
Специфічність паразита
Життєві цикли паразитів
Джерелом інвазії
Специфічні переносники
Механічні переносники
Методи профілактики паразитарних захворювань
Вчення Ч. Дарвіна про механізми органічної еволюції
Походження життя на Землі
Гіпотези походження еукаріотичних клітин
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Сприятливість і резистентність організму хазяїна.

Вплив хазяїна на паразита спрямований на пригнічення життєдіяльності паразита або його знищення. Виділяють три групи реакцій відповіді організму хазяїна:
  • клітинну реакцію, що проявляється, наприклад, збільшенням розмірів клітин, де локалізуються паразити;
  • тканинну реакцію, що полягає у створенні навколо паразита сполучнотканинної капсули, яка певною мірою ізолює паразита від тканин хазяїна;
  • гуморальну реакцію, що є імунологічною і полягає у створенні в організмі хазяїна антитіл у відповідь на антигени, які виробляє паразит. Найбільш гостро вона розвивається на личинковій стадії паразита, оскільки личинки дрібні й тісно контактують із тканинами хазяїна, а їх антигени мають більшу активність.

Імунні реакції хазяїна виникають у відповідь на дію антигенів двох різних типів: ті, що входять до складу організму паразита, і ті, що виділяються в навколишнє середовище.

Антигени першого типу, крім тих, що входять до складу покривів, звільняються тільки після загибелі паразитів. Антигени другого типу специфічні. Це компоненти слини кровосисних паразитів, ферменти, що продукуються різними залозами гельмінтів.

При багатьох паразитарних захворюваннях між хазяїном і паразитом встановлюються компромісні відносини: хазяїн адаптується до перебування в його організмі паразита створює імунітет, що перешкоджає виживанню личинок, які повторно потрапляють в організм хворого. Такий стан називають нестерильним імунітетом. Нестерильний імунітет запобігає посиленню ступеня інвазії: часто у випадку загибелі паразита виникають серйозні тканинні реакції, здатні призвести до смерті хазяїна. Прикладом таких реакцій є місцеві та загальні ускладнення після загибелі личинок філярій у лімфатичних вузлах і очах, а також цистицерків свинячого ціп’яка в головному мозку. Доки паразити живі, такі реакції взагалі не проявляються. Тому тривалий час система «паразит – хазяїн» залишається у рівновазі.

Різні фактори генетичної і негенетичної природи зумовлюють різну сприятливість організму хазяїна до паразита.

До негенетичних чинників належать вік, характер харчування, гормональний статус, супутні захворювання тощо. Наприклад, у дітей з порушеним білковим харчуванням важче перебігають амебіаз, стронгілоїдоз, а тропічна малярія, навпаки, – легше.

Важливе значення у сприятливості людини до паразитарних захворювань має її генетична конституція, наприклад, люди з групою крові ІІ (А) більш сприятливі до лямбліозу. Люди, в генотипі яких є ген серпоподібноклітинної анемії, практично несприятливі до малярії тощо.


Шляхи розселення і проникнення паразитів в організм хазяїна

Розселення паразитів може здійснюватися на різних стадіях їх життєвого циклу. Розселення у часі відбувається на стадіях спокою: розвиток призупиняється до того часу, поки не виникають сприятливі умови. У найпростіших це цисти, а в гельмінтів, зазвичай, яйця та інколи інкапсульовані личинки. Такі стадії дуже стійкі до змін навколишнього середовища. Наприклад, яйця аскариди можуть зберігати життєздатність до 7 років, а цисти дизентерійної амеби – до 7 місяців. При потраплянні на такій стадії до хазяїна переміщення останнього сприяє розселенню паразита (часто далеко за межі ареалу його початкового існування). Цисти, яйця й інкапсульовані личинки можуть також розноситися вітром, водою і тваринами – механічними переносниками. Так відбувається розширення ареалів паразитів, що не мають активних розселюючих стадій у циклі розвитку.

Багатьом паразитам властиві вільноіснуючі рухомі стадії, що сприяють розселенню. Крім цього, вони виконують функції пошуку нових хазяїв. Рухомий спосіб життя проміжних хазяїв підвищує ймовірність контактів з кінцевим хазяїном. Переміщення кінцевих хазяїв, у яких живуть статевозрілі паразити, забезпечує ефективне розсіювання цист, яєць і личинок паразитів на території ареалу.

Шляхи проникнення паразита в організм людини:
  • аліментарний, коли збудник заноситься з їжею, наприклад, личинки сисунів;
  • водний, коли зараження відбувається при питті або випадковому заковтуванні води, в якій можуть бути паразити (наприклад, з водою заковтуються циклопи – проміжні хазяї мікрофілярій ришти);
  • контактно-побутовий, зіткнення поверхні тіла з безпосереднім джерелом інвазії (зараження коростяним свербуном відбувається при потисканні рук хворої на коросту людини або користуванні її речами, на яких є кліщі);
  • статевий – таким шляхом передається піхвова тріхомонада;
  • трансплацентарний, коли паразит проникає з організму зараженої вагітної жінки в організм плода через плаценту (таким шляхом можливе зараження плода токсоплазмою, малярійним плазмодієм);
  • гемотрансфузійний – при випадковому переливанні зараженої крові (малярійний плазмодій, трипаносома).

Способи зараження паразитами:
  • інокулятивний, коли переносник під час живлення кров’ю хазяїна вносить збудника інвазії в ранку разом зі своєю слиною (малярійний комар);
  • перкутанний, коли збудник активно проникає крізь шкіру (наприклад, церкарії кров’яних сисунів або філярієподібні личинки кривоголовки);
  • контамінативний, коли збудник пасивно проникає в організм хазяїна (наприклад, збудники поворотного тифу можуть потрапити в організм людини при розчавленні зараженої воші і попаданні її вмісту в ранку).

Механізми передачі паразита:
  • фекально-оральний – паразит на певній стадії

свого розвитку виводиться з фекаліями хазяїна назовні, а його інвазійна стадія заноситься в організм хазяїна через рот немитими руками, забрудненою їжею (наприклад, такий механізм зараження цистами дизентерійної амеби);
  • трансмісивний – паразит передається через кровосисного переносника (наприклад, людина заражається малярним плазмодієм через укус комара роду Anopheles, трипаносомою– через укус мухи це-це).

Характерною особливістю паразитизму є відповідність певного виду паразита до конкретного хазяїна. Така відповідність називається специфічністю паразита.

Специфічність паразита може бути різною:
  • специфічні паразити людини викликають захворювання, що називаються антропонозними. Прикладами є малярія (збудник – малярійний плазмодій), ентеробіоз (збудник – гострик) та деякі інші;
  • більшість паразитів мають меншу специфічність, частіше зустрічаються у домашніх і диких тварин, але можуть уражати і людину. До таких паразитів належать печінковий сисун, стьожак, вольфартова муха та багато інших. Захворіння, що викликаються цими паразитами, називають зоонозними.


Життєві цикли паразитів

Для більшості паразитів характерними є складні цикли розвитку, пов’язані зі зміною хазяїна. Залежно від своєї ролі в життєвому циклі паразита хазяїн буває:
  1. остаточний або дефінітивний – організм, в якому паразит досягає статевозрілості і розмножується статевим шляхом;
  2. проміжний – організм, в якому паразит знаходиться в личинковій стадії чи розмножується нестатевим шляхом;
  3. додатковим (якщо проміжних більше ніж один);
  4. резервуарний хазяїн - організм, в якому паразит зберігає життєздатність, спостерігається його накопичення. що підвищує життєздатність виду, але подальший розвиток його не відбувається;
  5. облігатний – без якого цикл розвитку паразита неможливий;
  6. факультативний – який є не обов’язковим у циклі розвитку паразита.

Джерелом інвазії називають організм, який виділяє

в навколишнє середовище паразитів на різних стадіях їхнього розвитку, якими можуть заразитися інші організми.

Зміна хазяїна сприяє розмноженню, розселенню і поширенню паразитів.

Якщо передачу збудника від одного хазяїна до іншого здійснює переносник (кровосисні членистоногі – кліщі, комахи), захворювання називається трансмісивним. Переносників поділяють на специфічних та механічних.

Специфічні переносники – це ті членистоногі, в організмі яких паразит проходить певні стадії розвитку, тому їх ще звуть біологічними (малярійний комар – специфічний переносник малярійного плазмодія).

Механічні переносники – членистоногі, в організмі яких не відбувається розвиток паразита. Так, у кишечнику хатньої мухи, на її лапках, волосках можуть знаходитися збудники інфекційних захворювань, цисти найпростіших, яйця гельмінтів.


Методи профілактики паразитарних захворювань

Чисельність видів збудників паразитарних хвороб, різноманітність шляхів і факторів їх передачі вимагають удосконалення нагляду за місцевими природно-кліматич-ними та соціально-побутовими умовами життя і діяльності людей.

Основними напрямками захисту від паразитарних хвороб є паразитологічний нагляд, санітарно-гігієнічні заходи, ветеринарно-санітарний нагляд, санітарно-просвіт-ницька освіта.

Серед методів профілактики визначають:
  • біологічні – найбільш оптимальні, оскільки спрямовані на розведення природних ворогів збудників паразитарних хвороб. Наприклад, риба гамбузія знищує личинок і лялечок малярійного комара – переносника збудників малярії і деяких філяріозів;
  • імунологічні, для низки захворювань є ефективними, а для деяких знаходяться на стадії розроблення. Запроваджуються щеплення проти лейшманіозу, розробляється вакцина проти малярії тощо;
  • екологічні – передбачають всебічне вивчення і обґрунтування антропогенного впливу на оточуючу природу: створення водосховищ, спорудження зрошувальних систем, осушування боліт, вивчення факторів, що порушують природну рівновагу, сприяють розширенню переносників та проміжних хазяїв;
  • соціальні – спрямовані на дотримання правил особистої та громадської гігієни: санітарна очищення населених пунктів, видалення та знезаражування нечистот. Запобігання повсюдної неконтрольованої реалізації тваринницької продукції без належної експертизи, відповідних умов та ін.

Отже, моніторинг паразитарних хвороб, заходи що-

до охорони навколишнього середовища і здоров’я населення повинні бути покладені в основу профілактики захворювань, які вивчає медична паразитологія.


Лекція 13 Теорія еволюції органічного світу


Історія становлення еволюційної ідеї

Ідея розвитку є одним із важливих елементів сучасного наукового діалектико-матеріалистичного підходу до вивчення навколишнього світу.

У галузі біологічних наук ідея розвитку знайшла повне втілення в еволюційній теорії Ч. Дарвіна. Теорія історичного розвитку живих організмів Дарвіна пояснює рушійні сили і шляхи еволюції і є проводженням тривалого процесу становлення еволюційних поглядів, витоки якого виходять із стародавніх культур Заходу і Сходу. На всіх етапах своєї історії, біологія, як і інші галузі людських знань, була ареною боротьби різних філософських течій: матеріалізму та ідеалізму, діалектики і метафізики. Ідеї про змінюваність живих істот, про розвиток живого протистояло уявлення про виникнення живого в результаті акту творення, про стабільність і незмінність всього існуючого, яке панувало багато віків. Ця концепція ввійшла в історію під назвою креаціонізму (лат. сretio – створюю).

Найбільше ранні погляди, які допускали змінюваність живого, називалися трансформізмом (лат. transfomatio – змінюю, перетворюю). У теоріях трансформістів (Ж. Бюффона, Ж. Сент-Ілера та інших) ідея розвитку ще не сприймалася як історичний процес. Для еволюційних теорій, еволюціонізму (лат. evolutio – розгортаю) властиве признання історичного розвитку живого.

Перша еволюційна теорія була створена Ж.-Б. Ламарком у 1809 р. Проте, Ламарк помилково вважав, що для еволюції достатньо одного прямого впливу середовища, тренування і не тренування органів, які призводять до адекватної мінливості. Він уважав, що вищі тварини можуть змінюватися також під впливом внутрішньої тенденції до удосконалення. Ламарк допускав успадкування набутих ознак і вважав, що це приводить до еволюції. Теорія еволюції Ламарка була помилковою.


Вчення Ч. Дарвіна про механізми органічної еволюції

Уже у першій половині минулого сторіччя були одержані дані із галузі геології, палеонтології, ембріології, біогеографії та інших наук, які вказували на мінливість органічного світу. Але більшість натуралістів і філософів того часу не визнавала еволюції. Аргументацією було те, що ніхто не спостерігав перетворення одних видів у інші. Між видами є окреслені межі і, як правило, відсутні проміжні форми.

Дарвін знайшов докази еволюції, звернувшись до сільськогосподарської практики. Саме на прикладі культурних рослин і свійських тварин він показав значну пластичність організмів, звернув увагу на чисельність сортів культурних рослин і порід одомашнених тварин. Прибічники постійності видів стверджували, що кожний сорт і порода мають свого дикого предка. Дарвін показав, що вся різноманітність порід і сортів виведена людиною від одного або невеликої кількості диких предків.

Добір, який використовує людина, Дарвін назвав штучним, розуміючи під ним процес створення нових порід тварин і сортів культурних рослин шляхом систематичного збереження особин з певними, цінними для людини ознаками і властивостями у ряді поколінь і шляхом сприяття їхньому розмноженню. Цієї мети можна досягнути не тільки добиранням кращих, а й усуненням (елімінацією) тих, які менше задовольняють потреби людини. Зі стародавніх часів людина, навіть не ставлячи мети покращання наявних у її розпорядженні тварин і рослин, намагалася зберегти для розмноження економічно більш вигідних, а у їжу використовувати у першу чергу менш цінних. У природі Дарвін відкрив природний добір. На противагу штучному, коли нагромаджувались ознаки, корисні для людини, у процесі природного добору нагромаджувались ознаки, корисні для даного організму або виду, до якого він належить. У процесі еволюції завдяки природному добору організм все більше пристосовувався до умов існування.

Матеріали для добору найбільш пристосованих завжди існують, бо організмам властиве інтенсивне розмноження у геометричній прогресії. У навколишній природі організми вступають у різноманітні, дуже складні взаємовідносини, в яких можуть вижити далеко не всі. Сукупність цих взаємовідносин Дарвін назвав боротьбою за існування. Дарвін виділяв три форми боротьби за існування: взаємовідносини організмів з неживою природою; міжвидову боротьбу, до якої належать взаємовідносини між особинами, що належать до різних видів; внутрішньовидову боротьбу, яка поєднує взаємовідносини між особинами одного виду. Проте всі форми боротьби за існування тісно переплітаються і часто їх не можна розмежувати. У результаті боротьби за існування виживають найбільш пристосовані, адаптовані до навколишнього середовища.

Отже, природний добір, відкритий Дарвіном, – це історичний процес, завдяки якому в результаті боротьби за існування виживають і успішно розмножуються, залишають потомство організми з ознаками, які корисні для їхнього життя, тобто які забезпечують існування виду. У той самий час організми з менш корисними і тим більше шкідливими в даних умовах існування ознаками і властивостями гинуть, не залишаючи потомства. Природній добір – рушійний фактор еволюції, який приводить до формування нових видів.

Еволюція – процес удосконалення попередніх і утворення нових адаптацій (адаптіогенез). Адаптації (лат. adaptatia – пристосовую) проявляються у пристосуванні будови і функції в живих системах до умов середовища. Вони проявляються на всіх рівнях: молекулярному, клітинному, тканинному, на рівні органу, популяційно-видовому. Адаптації зберігаються і удосконалюються добором.

Найважливішим аргументом проти технологічних уявлень про початкову доцільність є існування рудиментарних органів, які не виконують будь-яких важливих для життя функцій. Так, у всіх ссавців кістки тазу служать опорою для задніх кінцівок. Але кістки тазового пояса є і у китоподібних, у яких кінцівок немає. Це пов’язане з історією походження цих тварин. Рудиментарні органи є у багатьох тварин і людини. Наявність м’язів вуха, третьої повіки, а також багатьох інших рудиментарних органів, які не функціонують у людини, дозволяє відкидати абсолютну доцільність у природі. Дарвін довів, що доцільність у природі носить відносний характер і є наслідком добору. Історичний метод, який увійшов у біологію завдяки Дарвіну, по-перше, вимагав перегляду всіх попередніх уявлень і заміни їх новими, по-друге, став потужним поштовхом для успішного розвитку всіх розділів біологічної науки.


Походження життя на Землі

Проблема виникнення живого, тобто походження життя, являлася основною для природознавства на всіх етапах його розвитку. При розв’язуванні цієї проблеми особливо чітко розмежувалися ідеалістичні і матеріалістичні погляди.

Протягом багатьох віків панувало уявлення про виникнення життя в результаті акту творення надприродних сил. На противагу цьому в науці було висловлено кілька гіпотез. Одна з них, яка мала багато прихильників, називалася гіпотезою панспермії (по грецькому – суміш всякого насіння), тобто «скрізь життя». За цією гіпотезою поява життя на Землі пояснюється занесенням її зародків із інших світів. Ця гіпотеза була найбільш повно розроблена С. Арреніусом (1859-1927) у 1895 р. Він уважав можливим потрапляння піонерів життя позаземного походження на нашу планету з метеоритами і космічним пилом. Припущення базувало на даних про велику стійкість спор деяких бактерій до радіації, глибокого вакууму та інших впливів космічного простору. Проте уявлення про високу стійкість бактерій до цих факторів мають перебільшене значення і до цього часу не має вірогідних даних про позаземне походження мікроорганізмів, які виявлені у метеоритах. Крім того, ця гіпотеза не дає відповіді на принципове питання про виникнення живого із неживого, незалежно на Землі чи поза нею.

За діалектико-матеріалістичним світоглядом розвиток живого із неживого є природною закономірністю. Життя виникло із неживого в процесі еволюції нашої планети на певному етапі її існування.

Появі життя на Землі й еволюції живих організмів передувала еволюція хімічних сполук.

У становленні життя на Землі можна виділити чотири етапі. Перший етап був можливий завдяки утворенню найпростіших органічних речовин абіогенним шляхом. Доказом того, що цей процес здійснюється у Всесвіті без участі живих організмів, є виявлення сполук вуглецю на ряді планет Сонячної системи, в атмосфері деяких зірок, у метеоритах, на яких не вдалося встановити ніяких слідів життя. Експериментально також показана можливість синтезу вуглеводів при наявності комплексу певних фізичних і хімічних умов (температури, тиску, електричного поля тощо). Це дає підстави вважати, що на Землі уже на початкових етапах її існування були найпростіші вуглеводи, а також сполуки, які містили азот.

Другий етап пов’язаний з подальшим утворенням більш складних хімічних сполук. Ці процеси йшли у бідному на кисень середовищі. Атмосфера Землі складалася переважно із водню, аміаку, парів води. З часом склад газів первинної атмосфери змінювався. Під впливом коротко-хвильового ультрафіолетового та іонізуючого випромінювання Сонця (якому не перешкоджав існуючий нині озоновий екран – продукт життєдіяльності зелених рослин) вода розкладалася, і водень через малу масу слабко утримувався в земній атмосфері і виносився в космічний простір. Кисень вступав у хімічні реакції і окиснював аміак до молекулярного азоту, а вуглеводні – до спиртів, альдегідів, кетонів і органічних кислот.

Цим процесам сприяли сонячне випромінювання, електричні розряди при грозах. Тепло вулканічних вивержень також сприяло інтенсивному хімічному синтезу.

У результаті абіогенного синтезу органічних речовин у водах первинного океану поступово нагромаджувалися все більш складні органічні сполуки. З’явилися сполуки зі структурою, яка близька до такої, що входить до складу живих організмів. Так виникли полімерні сполуки, подібні до вуглеводнів, жирів, білків, нуклеїнових кислот і АТФ.

Третій етап, на думку О. І. Опаріна, характеризувався виділенням у первинному “поживному бульйоні” особливих коацерватних крапель. У них концентрувалися білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди й жири, які виникали незалежно. Важливою рисою коацерватних крапель є упорядкованість колоїдних частинок, яка особливо виявляється при різниці їхніх електричних зарядів, а також здатність коацерватів вибірково адсорбувати речовини із навколишнього середовища і за рахунок цього “рости”.

Четвертий етап характеризується появою всередині коацерватних крапель кореляцій між нуклеїновими кислотами і білком, здатністю до перенесення інформації від ДНК на білок, здатністю до самовідтворення всієї системи ДНК – білок.

Перші мешканці нашої планети були гетеротрофними і живилися за рахунок органічних речовин, розчинених у первинному океані. Прогресивний розвиток первинних живих організмів забезпечив згодом такий великий стрибок, як утворення автотрофів, які використовують сонячну енергію для синтезу органічних сполук і найпростіших органічних. Звичайно, не зразу виникла така складна сполука, як хлорофіл. Спочатку з’явилися більш прості пігменти, які сприяли засвоєнню перш за все органічних речовин.

Визначення самостійного виникнення життя на Землі не виключає можливості існування будь-яких форм життя на інших планетах.

Гіпотези походження еукаріотичних клітин

Існують дві основні гіпотези еукаріотичних клітин: симбіотична й інвагінаційна.

За симбіотичною гіпотезою, органоїди клітини, зокрема мітохондрії, є потомками прокаріот, подібних до бактерій. Можна припустити, що на ранньому періоді еволюції відбувалося об’єднання великих без’ядерних прокаріотичних клітин, які жили за рахунок бродіння, з іншими бактеріями – аеробними. Це могло здійснитися шляхом фагоцитозу, при якому анаеробні клітини поглинали аеробів, але не перетравлювали. А зберігали їх. Анаеробна бактеріальна клітина придбала симбіонта, здатного використовувати кисень за допомогою процесу дихання.

Деякі аргументи проти симбіотичної теорії:

1) більшість білків мітохондрій кодується у ядрі клітини;

2) гени мітохондрій і пластид містять інтрони, як і гени хромосом клітинного ядра. Ці факти можуть пояснюватися і більш пізнім набуттям даних особливостей в результаті тривалого симбіозу.

За іншими уявленнями (гіпотеза інвагінації), еукаріотична клітина походить із однієї аеробної прокаріотичної клітини (а не із багатьох, як у першій гіпотезі). У цієї предкової клітини з’явилися впинання клітинної мембрани; у результаті поглиблення утворилися тільця (первинні органоїди), які пов’язані з клітинною мембраною і мають свій генетичний матеріал. Вони мали ферменти, які забезпечували аеробне окиснення. У частини клітин були й тільця, які забезпечували фотосинтез. Потім одне з них (центральна ядерна частина) поступово втратило свої окиснювальні і фотосинтезуючі функції, його генетичний апарат ставав все складнішим у структурному й функціональному відношенні.

До недавнього часу еукаріоти поділялися на два царства – рослин і тварин. На сьогодні все більше біологів схиляються до думки про поділ Надцарства Еукаріотів на три царства: тварин, грибів і рослин. Такий поділ розробив А. Л. Тахтаджян. Згідно з ним цим царствам можна дати наступну характеристику.

Тварини – первинно гетеротрофні організми. Клітини позбавлені щільної зовнішньої оболонки. Звичайно активно рухаються, але можуть бути і прикріпленими. Запасні вуглеводи відкладаються у вигляді глікогену.

Гриби – теж первинно гетеротрофні організми, але клітини мають добре виражену оболонку, до складу якої входить хітин, рідше целюлоза. Звичайно прикріплені організми. Запасні вуглеводи відкладаються у вигляді глікогену.

Рослини – автотрофні організми, іноді вторинні гетеротрофні. Клітини мають щільну стінку, яка складається із целюлози. Запасні речовини відкладаються у вигляді крохмалю.

Існування біосфери, кругообіг речовин у природі пов’язані з діяльністю як авто-, так і гетеротрофів. Найбільш примітивні еукаріоти – одноклітинні. Але у процесі еволюції розвинулися багатоклітинні рослини, гриби і тварини. Серед автотрофних організмів еволюція найвищого рівня досягла у типі покритонасінних (квіткових) рослин. Вершину гетеротрофних організмів становлять представники типу хордових – ссавці.

Походження багатоклітинності пов’язане з великим ароморфозом у еволюції органічного світу – утворенням зародкових шарів. Найбільш імовірне походження багатоклітинності від колонії джгутикових типу вольвокс. Проте будь-яка складна колонія найпростіших завжди залишається одношаровою, а найпримітивніші багатоклітинні – двошарові. Основна складність полягає у поясненні переходу від одношарового до двошарового багатоклітинного організму.

Потреба у збільшенні швидкості пересування, яке необхідне для захоплення їжі, сприяла подальшому диференціюванню, що й забезпечило еволюцію багатоклітинних.


Лекція 14 Біоніка як наука великих можливостей


З давніх часів думка людини шукала відповідь на запитання: чи може людина досягнути того самого, чого досягла жива природа? Чи зможе вона, наприклад, навчитися літати у повітрі, як птахи, або плавати під водою, як риби? Винахідники робили спроби оволодіти секретами природи, технічно засвоїти те, що вона здійснила сама. Невдачі не бентежили людину, і вона знову і знову поверталася до своєї заповітної мрії.

Згідно з цим людина прагнула до створення механічних моделей, які могли б імітувати предмети та явища природи. Так вона змогла уявити дію кісткового апарату вищих тварин і пояснити його рухову здатність як функцію системи механічних важелів. Для вирішення задачі повітроплавання здавалося достатньо спромогтися механічної імітації анатомічного устрою пташиного крила.

Коли прогрес науки привів до відкриття фундаментальних законів не лише механіки, але й фізики, хімії, біології та інших галузей природознавства, виявилося таке: спираючись на ці закони, можна починати здійснювати одну за одною найдавніші мрії людини. З’явилися аеростати, потім літаки, були створені підводні човни і здійснено багато інших чудових досягнень науки й техніки. Людина завоювала подібно до птахів повітряний простір та подібно до риб морські глибини.

І це стосується не лише кораблів, але й взагалі всіляких інших конструкцій, пристроїв, інструментів. Достатньо співставити орган зору – око – будь якої тварини, навіть тієї, що стоїть на порівняно нижчому ступені еволюції, з деякими оптичними приборами та інструментами, сконструйованими людиною, щоб упевнитися в тому, наскільки досконаліший природний орган порівнянно зі штучним пристроєм.

Як і багато інших стратегічно важливих направлень сучасного науково-технічного прогресу (наприклад, кіберне-тика) на межі між біологією та технікою з’явилася БІОНІКА. Виникнення подібного роду стикових наук взагалі типово для нашої епохи, особливо в зв‘язку з швидким розвитком науково-технічного прогресу в середині ХХ ст. Вперше суміжні, або проміжні, наукові дисципліни стали з‘являтися в другій половині ХІХ ст. Як правило, вони спочатку утворювалися як сполучні ланки на межі між фундаментальними науками. Прикладами є астрофізика, фізична хімія, біохімія; потім виникла геохімія, хімічна фізика, геофізика, біофізика.

Якщо говорити про шляхи дослідження біоніки як науки, то основний полягає в тому, щоб безпосередньо моделювати у вигляді технічних пристроїв і конструкцій ті схеми та принципи, які лежать в основі відповідних біологічних явищ, функцій, структур, зв’язків, органів.

Біоніка – це наука, яка вивчає принципи організації та функціонування біологічних систем на молекулярному, клітинному, організменому, популяційному, ценозному рівнях, що досліджує процеси перетворення енергії та інформації, переробки речовин у живих організмах, екосистемах з метою використання отриманих знань для конкретного удосконалювання існуючих та створення принципово нових машин, приборів, механізмів, будівельних конструкцій, економічних джерел енергії, технологічних процесів, ефективних енергетичних комплексів та хімічних виробництв. Її можна також назвати наукою про системи, які є аналогами біологічних систем або яким властиві деякі специфічні характеристики живих організмів, або наукою про оригінальні технічні системи і технологічні процеси, створені людиною на основі ідей, знайдених та запозичених у природи.

Датою народження біоніки прийнято вважати 13 вересня 1960 р. – день відкриття в Дайтоні (штат Огайо, США) першого американського симпозіуму на тему “Живі прототипи штучних систем – ключ до нової техніки”.

Першими, хто зробив крок на шляху відкриття внутрішніх закономірностей живої системи та їх використання для створення нових технічних устроїв, були арабські лікарі. Роблячи багато сотень років тому операції на очах, ці хірурги отримали уявлення про заломлення світлових променів при переході з одного прозорого середовища в інше. Вивчення кришталика ока наштовхнуло лікарів давнини на думку про використання лінз, що виготовляли з кришталю або скла, для збільшення зображення. Створення лінзи є першою спробою розширити сенсорний апарат людини, лінза стала прототипом телескопа, мікроскопа та інших оптичних пристроїв. Якщо б арабські лікарі створили лише оптику і нічого більше, то й у цьому випадку вони внесли б найважливіший внесок у науку.

Відомі досліди італійського фізіолога, професора медицини Луїджі Гальвані (1737-1798) з лапкою жаби дозволили відкрити так звану тваринну електрику та привели в підсумку до створення гальванічних елементів – хімічних джерел електричної енергії.

Французький фізіолог і фізик, доктор медицини, член Медичної академії Жан Луї Марі Пуазейль (1799 – 1869) на базі експериментальних досліджень руху крові у кровоносних судинах встановив закон течії рідини в тонких трубах, що важливо для техніки. Законом Пуазейля зараз широко користуються для визначення в‘язкості у гідравліці, а також швидкості течії в капілярних судинах.

Великий інтерес у біонічному плані має творчість великого російського вченого, засновника гідро- й аеромеханіки Н. Е. Жуковського (1847-1921). Виступаючи проти тих, хто не бачив у дослідженнях живих організмів ніякої користі для технічної творчості, вчений показував, що за зовнішньою різницею між твариною та машиною треба вміти бачити однакові принципи й загальні фактори, що є основою функціонування біологічних та технічних систем.

Найбільш значними дослідженнями в біоніці є розроблення біологічних засобів виявлення, навігації та орієнтування; комплекс досліджень, що пов’язані з моделюванням функцій і структур мозку вищих тварин та людини; створення систем біоелектричного управління і дослідження з проблеми «людина – машина».

На даний момент вагомим внеском у хід науково-технічного прогресу є дослідження аналізаторних систем тварин і людини. Ці системи настільки складні й чутливі, що поки що не мають собі подібних серед технічних пристроїв. Наприклад, термочутливий орган гримучої змії розрізняє зміни температури на 0,001оС; електричний орган риб (скатів, електричних вугрів) сприймає потенціали в 0,01 мікровольта; очі більшості нічних тварин реагують на поодинокі кванти світла, риби відчувають зміни концентрації речовини у воді 1 мг/м3 (1 мкг/л).

Багато живих організмів мають такі аналізаторні системи, які відсутні в людини. Наприклад, у коників на 12-му членику вусиків є горбик, який сприймає інфрачервоне випромінювання. Пристрій, що сприймає радіоактивне випромінення, мають равлики, мурахи й терміти. Багато тварин реагують на зміни магнітного поля (птахи й комахи, які мігрують на дальні дистанції).

Відчуття являють головну та невід’ємну частину людини, любої живої істоти. Жодний живий організм неможна розглядати як автономну біологічну систему, замкнену в самій собі. Навпаки, кожна жива істота перебуває у постійному контакті з середою існування.

«Новітні дослідження, – як пише Л. Жерарден у своїй книзі «Біоніка», – показують, що в людині, повністю ізольованій від зовнішнього середовища, з’являються ознаки психічного розладу: вона втрачає уяву про час, їй починає вважатися, наприклад, що її голова розпухає або зменшується, або зовсім від’єднується від тіла, потім з’являються галюцинації. І якщо продовжувати експеримент, то не виключена ймовірність, що він призведе до божевілля».

Усім радощам сприйняття зовнішнього світу ми зобов’язані нашим органам відчуття – сенсорним системам, аналізаторам.

Класичне уявлення про ограни чуття ще з часів Аристотеля (384-322 рр. до н.е.) розрізняють п’ять основних типів відчуттів: зір, слух, нюх, дотик і смак. Великий древньогрецький мислитель визначив ці п’ять почуттів і дав схему, якій слідували більше двох тисяч років.

Сучасна класифікація сенсорних органів більш диференційована, і розділяють такі відчуття, як почуття болю, тепла, холоду, рівноваги, переміщення у просторі, голоду, спраги тощо.

Наші органи чуття здатні сприймати найдрібніші за силою подразники, що потрапляють із навколишнього середовища. Наприклад, око людини має таку чутливість, яка забезпечує йому здатність реєструвати потрапляння на сітківку декількох квантів. Щоб зрозуміти, наскільки мізерна величина цієї енергії та яким чутливим реєстратором подразнення є наш зоровий апарат, приведемо наступний приклад. Відомо, що енергія поглинається водою і при цьому нагріває її. Наприклад, якщо 1 см3 води буде кожну секунду поглинати кількість енергії, яка здатна викликати світлове відчуття в людському оці, то для підігріву цього об’єму води на 10С знадобиться час, який дорівнює десяткам мільйонів років.

Високою чутливістю відрізняється і слуховий аналізатор. Дзюрчання струмка можна почути на відстані сотень метрів, що відповідає енергії звука, яка дорівнює одній десятимільярдній долі ерга.

Не менша чутливість органу нюху: для виникнення чіткого відчуття певного запаху людині достатньо одночасного потрапляння на чутливу поверхню нюхових долей всього 300-400 молекул пахучої речовини.

Надзвичайно висока також чутливість людського органу дотику – шкіри. Іноді людина відчуває дотик невидимої павутинки. Якщо відхилити волосину на тильному боці долоні всього на 50 або на кінчик волосини довжиною близько 1 см здійснити тиск 0,03 г, людина відчує такий дотик павутинки.

Також чутливий і орган смаку у людини. Дегустатори, наприклад, за смаком і ароматом вина безпомилково визначають не тільки його марку, але й район і рік збору винограду, з якого було виготовлене вино.

У багатьох тварин органи зору, слуху, нюху, смаку й дотику більш чутливі, ніж у людини. Кішки, наприклад, розрізняють навіть у темряві. Деякі комахи мають термінальні органи, розташовані на передніх кінцівках. Ці органи реагують, як людське вухо, на цілу гаму частот, але їх межа чутності набагато вища, ніж у людини: 50 тисяч коливань за секунду, а у деяких нічних метеликів навіть до 200 тисяч коливань. Собаки та вовки вловлюють запахи непорівняно більш слабкі, ніж ті, що сприймає людина. Високорозвиненим відчуттям дотику володіє восьминіг. Ощупуючи речі своїми щупальцями, він визначає їх форму, а за напруженням м’язів – масу. Жаби не відчувають солодкого смаку, але здатні визначати на смак чисту воду. Деякі мухи розрізняють солодкий смак у 30 разів точніше, ніж людина.

Біологічними та біонічними дослідженнями встановлено, що природа наділила більшість видів комах та хребетних сенсорними системами, про які ще недавно людина й не замислювалася. Так, наприклад, під час проведення експериментів з оком таргана дослідники помітили, що на екрані осцилографа з’являвся сигнал, не дивлячись на те, що досліди проводилися у повній темряві. Перевіривши, вони з’ясували, що сплеск виникав саме у той час, коли в око потрапляло радіоактивне випромінювання. Більшість фактів переконливо говорять про те, що не тільки таргани, але й деякі молюски та миші також реагують на появу радіації. Чутливо реагують на радіоактивне випромінювання лісові мурахи. Потрапивши в зону навіть найслабкішої радіоактивності, вони починають метушитися, змінюють курс і намагаються втекти подалі від небезпечного місця. Мабуть природа наділила їх високочутливим ультрамініатюрним «лічильником Гейгера». Не менш цікаві особливості зору бджіл. Вони бачать невидимі для людини ультрафіолетові відтінки й сприймають поляризоване світло неба, часто використовуючи його як важливий компонент для орієнтації у просторі. Наведемо ще два приклади з арсеналу створеної живою природою «спеціальних механізмів» – аналізаторів. У скатів виявлені так звані «ампули Лоренцині». Ретельні експерименти показали, що ці органи, розташовані в особливих ямках, надзвичайно чутливі до електричного струму. Дослідами встановлено, що деякі тварини, особливо перелітні птахи, деякі терміти можуть орієнтуватися за магнітним полем Землі. Усі перелічені й ряд інших сенсорних систем «спеціального призначення» різних тварин наче додаються до п’яти типів органів чуття.

Будь-яка високорозвинена біологічна сенсорна система є дуже цікавою для спеціалістів самих різних областей науки й техніки. Одним з найактуальніших і перспективних направлень біонічних досліджень є дослідження роботи перших ступенів аналізаторних систем людини й тварин. Кінцевою метою цих досліджень є створення технічними засобами різноманітних рецепторів інформації. У першому випадку датчики, подібні до рецепторів, дозволяють різко скоротити розміри сприймаючої апаратури, бо природні рецептори – це мікроскопічні клітини. У іншому випадку біонічний підхід до моделювання рецепторів може дозволити створити більш чутливі елементи, ніж існуючі датчики систем автоматичного управління. У третьому випадку, як вважають біоніки, розкриття механізмів діяльності рецепторів дозволить поповнити арсенал електроніки і автоматики датчиками принципово нового типу, наприклад, датчиками смакових сигналів.

Основна увага вчених-біоніків спрямована на вивчення можливостей застосування в техніці закономірностей систем прийому і переробки інформації, які характерні для людини і тварин.