1. Основы бионики: история, предмет, принципы, задачи

Работы в области бионики неразрывно связаны с теорией и техникой моделирования и с теорией подобия, которые к настоящему времени достаточно полно разработаны и освоены как теоретиками, так и практиками. Давно прошли те времена, когда к моделированию относились недоверчиво или даже скептически. Моделирование как метод завоевало себе прочное место в науке и технике. В. А. Веников рассказывает, как в 1870 году английское адмиралтейство спустило на воду броненосец «Кептен». Предварительные модельные исследования показали, что броненосец перевернется даже при небольшом волнении. Но лорды адмиралтейства фактически осмеяли опыты с игрушкой-моделью. А вскоре после спуска на воду броненосец действительно перевернулся и 533 члена экипажа из 550 погибли. По этому поводу в Лондоне установлена мемориальная доска с надписью: «Вечное порицание невежественному упрямству лордов адмиралтейства».

Моделирование в бионике имеет особенность, связанную со значительным качественным различием ряда характеристик живого прообраза и неживой модели. При бионическом моделировании очень часто стараются добиться изоморфизма двух систем, из которых в одной осуществляются высшие формы движения материи, и этим определяется существо моделируемого механизма, а в другой системе возможны лишь более низкие формы движения материи – химические, физические, механические. Несводимость высших форм движения материи к низшим в принципе исключает получение полного тождества прообраза и модели. Но к этому при моделировании и не стремятся, ибо это уже не моделирование, а воспроизведение.

При моделировании той или иной системы допускается большой произвол в выборе элементов, лишь бы достигнуть заданной степени изоморфизма прообраза и модели для тех элементов или их свойств, или отношений между элементами, относительно которых устанавливается изоморфизм. Во многих случаях считают, что таким же требованиям должен удовлетворять и бионический синтез. Однако при таком понимании синтеза специалисты-бионики могут оказаться в тупике и не ответить на такие, например, вопросы: считать ли бионической вычислительную машину, так как у нее есть прообраз – мозг человека-вычислителя? Является ли бионической системой подводная лодка, так как у нее есть прообраз – рыба соответствующего вида и т. д. В отличие от моделей, бионические системы должны удовлетворять двум требованиям: во-первых, иметь структуру, изоморфную соответствующему биологическому организму, и, во-вторых, состоять из элементов, каждый из которых изоморфен соответствующим элементам биологического прообраза. Приняв такие ограничения, мы уже не всякую вычислительную машину можем считать бионической, а лишь ту, которая синтезирована из нейроно-подобных элементов.

Вырожденный случай моделирования, при котором процесс сводится к воспроизведению прообраза, сам по себе ясен. Методологическая трудность возникает тогда, когда исследователь хочет оставаться в рамках моделирования, но не знает, насколько оно возможно с помощью тех подручных средств, которые он имеет, насколько специфика прообраза воспроизводима в модели, которую он в силах создать. Суть проблемы можно пояснить таким примером. Допустим, что в наши дни объявился искуснейший резчик по дереву, не только не знающий основ телевидения, но и ничего не слыхавший об электричестве. Допустим далее, что этому вымышленному мастеру не только нельзя пользоваться какими-либо другими материалами, кроме дерева, но ему даже трудно понять, что это такое, ибо все, с чем он имел дело, выполнялось только из дерева. И вот этот мастер, способный выточить из дерева блоху и подковать ее деревянными гвоздями, должен создать действующую модель телевизора по результатам тех измерений и исследований, которые доступны ему. Нетрудно представить себе его «успехи» на этом поприще и уже совсем очевиден конечный эффект. Не являются ли некоторые попытки бионического моделирования фактическим подобием этой гипотетической ситуации? Успехи физики и химии бесспорны. Но откуда следует, что все возможные в природе процессы и явления уже известны и могут нами регистрироваться и измеряться? Не присущи ли высшим формам движения материи такие проявления, которые пока не зарегистрировал ни один изготовленный нами прибор? Подобные вопросы требуют ответа уже не только философов, но и теоретиков-биоников. Остается лишь надеяться, что эта сложнейшая методологическая проблема найдет свое решение в теоретической бионике.

Архитектурная бионика

В мировой архитектурной практике за прошедшие 40 лет использование закономерностей формообразования живой природы приобрело новое качество и получило название архитектурно-бионического процесса и стало одним из направлений архитектуры хай-тека.

Архитектурно-бионическая практика породила новые, необычные архитектурные формы, целесообразные в функционально-утилитарном отношении и оригинальные по своим эстетическим качествам. Это не могло не вызвать к ним интереса со стороны архитекторов и инженеров.

Бионика происходит от греческого слова, означающего "элемент жизни". Оно послужило основой названия направления в науке, занимающегося изучением возможности использования в технике определенных биологических систем и процессов.

Архитектурная бионика сходна с технической бионикой; однако, она настолько специфична, что образует самостоятельную отрасль и решает не только технические, но главным образом архитектурные проблемы.

Здесь особенно нужно подчеркнуть, что научные основы архитектурной бионики начали создаваться в Советском Союзе, особенно можно выделить работы архитекторов В.В. Зефельда и Ю.С. Лебедева.

Укажем на высказывания немецких и австрийских архитекторов Земпера, Фельдега, Бауэра и др. С интересной статьей, анализирующей их взгляды и высказывающей свою точку зрения на проблему целесообразности в архитектуре, - "Теория Дарвина в строительном искусстве" (1900 г) - выступил под псевдонимом некий "Гр. Ю - П". Автором этой статьи четко и ясно, с определенной тонкостью и остротой поставлена архитектурно-бионическая проблема и подтверждена закономерность действия эволюционной теории Дарвина в архитектуре.

Наиболее сложным этапом освоения в архитектуре природных форм является время от середины XIX и до начала XX в. На нём сказались бурное развитие биологии и небывалые успехи по сравнению с предыдущим периодом строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения стекла и металлических конструкций). Исследуя этот этап, необходимо обратить особое внимание на появление такого значительного по своей силе течения в архитектуре, как "органическая архитектура". Правда, под названием "органическая архитектура" отнюдь не подразумевается прямая и существенная связь архитектуры с живой природой. Направление "органической архитектуры" - направление функционализма. Об этом говорил по телевидению в 1953 г. один из основных её идеологов Фрэнк Ллойд Райт. отвечая на задаваемые ему вопросы: "... органическая архитектура-это архитектура "изнутри наружу", в которой идеалом является целостность. Мы не употребляем слово "органик" в смысле "принадлежащий к растительному идя животному миру".

Во имя экономии человек в производственной деятельности всегда использует любые представившиеся возможности. С прогрессом это требование все более обостряется. Так, например, после окончания второй мировой войны инженеры и архитекторы начали внимательно присматриваться к живой природе. Их привлекли, например, упругие пленки живой природы, хорошо работающие на растяжение (эксперименты Отто Фрая 40-х годов). Современная же наука позволила углубиться в законы развития живой природы, а техника дала возможность моделировать живые структуры. В результате в архитектуре в конце 40-х годов появились формы, воспроизводящие на сознательной научной и технической основе конструктивные структуры живой природы. Сюда нужно отнести покрытие большого зала Туринской выставки инженером П.Л. Нерви, вантовые и палаточные сооружения (Отто Фрай и др.).

В Советском Союзе бионические идеи пользовались большим вниманием архитекторов и инженеров (МАИ, ЦНИИСК Госстроя СССР, Лен-ЗНИИЭП и др.).

Большую роль в 90-е годы сыграло неожиданное стремительное вторжение в нашу жизнь компьютерных технологий. Культурные долгосрочные последствия этого "тихого переворота" пока еще трудно предсказать, но в направлении их прояснения движется мысль представителей нового поколения. Благодаря компьютеру возможно описать сложный биологический объект, например, человеческий скелет на привычном для архитектора языке рабочего чертежа.

Подводя итог историческим предпосылкам архитектурной бионики, можно сказать, что архитектурная бионика как теория и практика сложилась в процессе эволюции специфической связи архитектуры и живой природы и что это явление не случайное, а исторически закономерное.

Специфическая черта современного этапа освоения форм живой природы в архитектуре заключается в том, что сейчас осваиваются не просто формальные стороны живой природы, а устанавливаются глубокие связи между законами развития живой природы и архитектуры. На современном этапе архитекторами используются не внешние формы живой природы, а лишь те свойства и характеристики формы, которые являются выражением функций того или иного организма, аналогичные функционально-утилитарным сторонам архитектуры.

От функций к форме и к закономерностям формообразования - таков основной путь архитектурной бионики.

Использование конструктивных систем природы проложило дорогу другим направлениям архитектурной бионики. В первую очередь это касается природных средств "изоляции", которые могут быть применены в организации благоприятного микроклимата для человека в зданиях, а также в городах.

Архитектурная бионика призвана не только решать функциональные вопросы архитектуры, но открывать перспективы в исканиях синтеза функции и эстетической формы архитектуры, учить архитекторов мыслить синтетическими формами и системами. [6]

В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже "запатентовано" природой. Такое изобретение XX века, как застежки "молния" и "липучки", было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление. Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования "динамических структур", а в 1991 г. организовали "Общество поддержки инноваций в архитектуре". Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект "Вертикальный бионический город-башня". Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен "принцип конструкции дерева".

Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1228 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей (12 x 80 = 960; 960! =300). Между кварталами - перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов - разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты - аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить ещё несколько таких зданий-городов. [2]

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей. [7]

Биоформы в промышленности
Наряду с архитектурной бионикой и в современной промышленности сравнительно недавно произошёл бум бионических форм, которые стали окружать нас начиная с бытовых приборов, медицинских инструментов и транспорта до собственных жилищ.

Биоформы в интерьере

Бионика - сравнительно новое направление. Многим кажется, что становление этого течения началось с изобретения новых материалов, произведённых благодаря современным продуктам органической химии - полимерам. Новые материалы обладают высокой прочностью, пластичностью и одновременно очень легки, причём их свойствами довольно легко управлять, получая нужный материал. В частности теплопроводность у полимеров может быть как абсолютной, так и наоборот. Есть ряд полимеров, которые вообще не пропускают тепла, и являются сильнейшими теплоизоляторами, в частности на многих новых кухонных электроплитах уже стоят стёкла, которые практически не нагреваются от тепла духовки - это всё новейшие разработки из области органической химии. Из углерода планируют делать даже полупроводники, которые вскоре должны будут заменить устаревшие кремниевые процессоры в наших компьютерах, повысив их функциональность и долговечность в несколько сот раз. Однако при всех чудодейственных свойствах полимеров нельзя сказать, что именно они были причиной возникновения нового течения. В основе всякого направление в первую очередь лежит человеческая мысль, идея. Идеи тоже не возникают сами собой, всякая идея это ответ на определённый вызов, который ставит перед человеком эпоха. Попытаемся немного углубиться в суть проблемы, решаемой бионикой. Бионические формы, природные стилизации могут быть применены как ко всей предметной среде интерьера в целом, так и к отдельным предметам дизайна. Первое впечатление о бионических светильниках - они выбиваются из ряда геометрически правильных форм. Так, если взять любую классическую люстру в стиле модерн или классика, с хрустальными подвесками, коваными элементами, - беглого взгляда хватает, чтобы увидеть в ее основании четкую геометрию и обязательно - симметрию. В бионике этого нет. Ее область - необычные формы, нелогичные линии. Но зачастую люстры классических направлений могут содержать в себе элементы бионики, так, довольно популярна идея украшения потолочных светильников декоративными фруктами из стекла Мурано - природные формы объекта будят воображение даже консерваторов. Таким образом, бионические светильники можно условно разделить на две группы: классическую и авангардную.

Классическую линию в интерьерной бионике образовывают светильники из традиционных материалов: бронзы, хрусталя, стразов, детально воспроизводящих цветы и соцветия, а также букеты экзотических растений, кленовые или дубовые резные листочки. Используются любые растительные мотивы: листья, травы, цветы, плоды - здесь фантазия художников неисчерпаема, как неисчерпаем мир флоры. Использование самых лучших материалов: стекла Мурано, стразов Сваровски, натурального камня, напыления благородных материалов делает светильники чудесными произведениями искусства. Выполненные согласно многовековым традициям, но по новейшим технологическим разработкам, такие изделия в доме - как глоток свежего воздуха после загазованных улиц.

Однако к стилю бионика относятся не только изображения цветов и плодов. Авангардную линию составляют навеянные природой ассоциации, воплощенные дизайнером в статичном интерьерном объекте (Brand van Egmond). Здесь изморозь зимних деревьев, круги дождя на весенних лужах…

Такие работы можно разглядывать часами, пытаясь угадать, что за образы спрятаны в них: запутавшаяся в сетях золотая рыбка или укрывшийся в густой траве крошечный жучок-светлячок. В бионике, как и в хай-теке, часто именно соединения жестких материалов - стекла, металла - рождает удивительно теплые и живые картины.

Но природа - это не только цветы, плоды и листья. Это и шум моря, и перламутровая внутренность ракушки, и разные морские создания. Эту тему детально воспроизводит в своих изделиях израильская компания Aqua Creations. Ее дизайнеров вдохновляет подводный мир теплых морей: медузы, актинии, кораллы, водоросли, моллюски, ракушки - чьи только очертания не увидишь в светильниках. Только представьте: войдя в свое жилище, вы ощущаете себя погруженным в чудесный мир, наполненный светом фантастической лампы. В этом свете проявляются причудливые силуэты и кажется, что подводная среда живет и движется по своим законам.

Бионика в чем-то схожа с японским искусством убранства жилых пространств, когда жилище устраивается как продолжение внешнего мира. Но в московских реалиях дом не может взаимодействовать с живой природой: за его дверью обычно - пыль, бетон, шум, выхлопы, гарь. Стиль бионика позволяет создать оазис. [4]

Но какие факторы оказались при этом ответственными за появление новых видов и последующее усложнение их иерархического статуса? Несомненно, к ним можно отнести конкурентные взаимоотношения, а также - закрепление ранее отобранных удачных форм, с последующим перебором вариантов из числа возможных на данный момент. Не исключен и выбор наиболее подходящих для конкретных условий новых генов с отбором уже лучших из них на системном уровне, при адаптации нового организма к окружающей среде. Следует упомянуть и о дрейфе генов, когда в нарушение закона Харди-Вайнберга, случайные изменения генных частот в ограниченной популяции приводят к исчезновению одних генотипов (аллелей) и доминированию хромосом определенного типа. Что может способствовать видообразованию, как всей популяции в целом, так и ее отдельных частей, в случае их отличия от исходной, более чем на межвидовой порог. Такая ситуация вполне реальна, поскольку популяция в середине ареала и по его краям различается по генетической структуре, что кстати позволяет рассматривать те же подвиды, как популяцию в процессе дрейфа. К другим генетическим факторам, имеющим отношение к видовому разнообразию, можно отнести уже ранее упоминавшиеся типы мутаций. Причем наиболее значимым для видообразования моментом, является не столько последовательность большого числа незначительных точечных генных мутаций, сколько крупномасштабные изменения всего нескольких генов. Кроме того, определенный вклад в экспрессию и изменчивость генов, вносят подвижные фрагменты генома, или так называемые мобильные генетические элементы.

Однако если ход биологической эволюции попытаться объяснить только вышеприведенными причинами, то для выстраивания имеющейся иерархии и всего биологического разнообразия, потребовалось бы более 15 млрд. лет - срок, почти сопоставимый с возрастом самой Вселенной. Да и делать бы это пришлось с учетом специфики наследственного материала. В частности, принимая во внимание тот факт, что, например, геном человека от-личается от такового у мышей приблизительно на 10% и практически сходен с геномом шимпанзе, за исключением разве что генов эмбриогенеза, отвечающих за ранние стадии развития зародыша. Следовательно, в морфо- и филогенезе, биологическими структурами были дополнительно задействованы какие-то более эффективные механизмы. Позволяющие проявиться видовым признакам или достичь организационного усложнения вовсе не длительным эволюционным способом, и без особого качественного геномного разнообразия.

Основные механизмы биологической эволюции и морфогенеза.

Ближе всего к таковым механизмам, стоит комплекс регуляторных процессов [3]. И прежде всего, это практически сходные и существующие у всех современных эукариотов регуляторные гены, последовательно управляющие развитием частей тела в процессе формирования взрослой особи из зародыша. Действие этих регуляторов основано на каскадной координации следующего иерархического уровня генов, уже непосредственно отвечающих в эмбриогенезе за создание именно тех органов, которые свойственны конкретному виду [4]. В связи с этим, кажется вполне закономерным, что изменения, приводящие к аб-солютно новому строению тела, могут быть опосредованы обычной мутацией хотя бы одного из видов регуляторных генов. В этом случае для существенной трансформации организма достаточно доминирующей мутации лишь в одной хромосоме из их парного набора.

Иными словами, незначительная мутация регуляторного гена приводит к полной реорга-низации, как внешнего вида, так и метаболизма данной особи. При прочих равных условиях это значительно сокращает сроки появления новых видов и заодно особенно не требует дополнительных генетических ресурсов. Поскольку модифицирует механизмы планомерного включения генов дифференцировки, отвечающих за процессы специализации эмбриональных клеток и последующую закладку органов, то есть за основные принципы построения структурной организации. Достигается же это изменением функции белка, производимого первым, регуляторным геном. То есть, до появления определенных условий, производимый регуляторным геном белок, не отключал, или наоборот, не включал гены, отвечающие за образование конкретных морфологических структур в эмбриогенезе [4]. Скорее всего, по видовым морфологическим признакам эти сегментарные гены не рестриктированы, поскольку при транспонировании воспроизводится эффект генов реципиента, а не донора [5]. Следовательно, под контролем регуляторных генов находятся еще и общие принципы управления формообразованием.

Таким образом, с большой долей вероятности можно предположить, что регуляторные гены играют весьма важную роль при морфогенезе, а их мутации - при образовании новых форм организмов. Но что при этом может лежать в основе процессов регуляции самих регуляторных генов? Это едва ли не один из ключевых моментов биологической эволюции, так как все ее феномены являются производными от результата регуляторных процессов реализации генетической информации. Главное, на что следует обратить внимание, это на возможность осуществления разнотипной регуляции белкового синтеза. Она может про-исходить по транскрипционному механизму путем изменения активности генов, через модуляцию продукции матричной (информационной) мРНК на матрице ДНК. Так и за счет изменения активности мРНК на трансляционном уровне регуляции [3]. Кроме того, суще-ствует регуляция на уровне посттрансляционных модификаций, когда уже синтезированный продукт, например какой-либо фермент, не способен функционировать в конкретном химическом окружении. Но в иных, более подходящих условиях, у него отмечено адекватное проявление активности [3, 5].