1.
ВВЕДЕНИЕ
1.1. ПОЧЕМУ ТАКОЙ ИНТЕРЕС К БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТАМ?
Все большее внимание в мире уделяется изучению природы, живых существ. За последние десятилетия появилось много новых наук, имеющих в своих названиях "БИО".
Почему такой интерес к биологическим объектам?
Во-первых: Человек своей деятельностью вносит значительные изменения в биосферу Земли, в результате чего многие животные и растения исчезают с лица планеты. И ученые ставят своей целью сохранить животный и растительный мир.
Во-вторых: С каждым годом количество проблем, решаемых человечеством, возрастает. И в поисках новых идей для решения этих задач человек обращается к Природе. Он изучает животный и растительный мир с целью применения изобретений, сделанных для решения своих инженерно-технических задач.
Так, очищая одежду от приставших растений, швейцарский инженер Жорж де Местраль придумал застежку велькро (липучка). Рене Реомюр, изучая поведение пчел, заметил, что при строительстве гнезда осы используют волокна растительного происхождения, похожего на картон. Реомюр предложил делать бумагу не из старой одежды, а из древесины.
В прошлом веке Джордж Кейли наблюдал за падением семян клена и предложил сделать винт самолета по подобию семени клена. Это в прошлом! А теперь? Недавно в США впервые получен патент на животное — раковую мышь. В зародыш мыши введен онкоген — общий у раковых опухолей человека и мыши. Этот ген передается по наследству и после рождения мышь заболевает раком легких, тождественным человеческому. Такие мыши предназначены для испытания новых противораковых препаратов. Создатель раковой мыши Тимоти Стьюарт предвидит сложности при получении подобных патентов: в США лежат заявки на патентование более 20-ти видов животных, но активисты из общества защиты животных развернули кампанию, добиваясь соответствующего запрета.
Вероятно, что промышленные технологии будут развиваться в сторону все большего применения биологических объектов. Это позволит технологиям овладеть преимуществами естественных природных систем:
- работа по замкнутым циклам;
- экономичность;
- саморегулируемость и самоуправление живых существ;
- обладание механизмами самовоспроизводства.
В настоящей работе сделана попытка рассмотреть примеры применения биологических объектов человеком.
"Учитель...начал рисовать на доске карту Америки. Но нетвердая рука не слушалась его, и по классу пронеслось сдержанное хихиканье...Он старался поправиться..., но хихиканье в классе не умолкло, а, наоборот, заметно усиливалось.
И неудивительно! Как раз над головой учителя в потолке был чердачный люк, и вдруг из этого люка появилась кошка на веревке, причем голова ее была туго стянута тряпкой, чтобы она не мяукала. Медленно спускалась все ниже и ниже, она изгибалась телом, тянулась вверх и старалась поймать когтями веревку, но ловила только воздух. Хихиканье становилось все громче, кошка была уже в каких-нибудь шести дюймах от поглощенного своим делом учителя... ниже, еще немножко ниже... и вдруг она отчаянно вцепилась когтями в парик и вместе со своим трофеем моментально была вознесена на чердак..."
(М.Твен "Приключение Тома Сойера", Минск "Юнацтва", 1991г. с.171-172)
В 1992 году в Новгороде изобретение Тома Сойера переоткрыли: злоумышленники опускали на веревке с верхних этажей кошку и так воровали белье с балконов. Впрочем, не только жулики и не только кошку могут использовать для решения своих проблем.
Так что же такое биологический эффект (далее Б.Э.)?
Биологический эффект, в понимании автора, — это применение биологических объектов (Б.О.) — а ими могут быть растения и животные, одноклеточные, бактерии и ферменты...— в жизнедеятельности человека, в том числе и в изобретательстве.
— Но позвольте, — скажете Вы, — а выращивание фруктов, ловля рыбы — это тоже биологический эффект?...
Да! Вы правы! С давних пор человек использует растения, животных бактерий. Использует по разному: растения и животных в пищу, лошадей и других животных — для обработки земли и перевозки грузов, собак – для охраны от посторонних... Список можно продолжить. Но столь очевидные примеры использования Б.О. в работе рассматриваться не будут.
1.2. ГДЕ НАЙДЕНЫ ПРИМЕРЫ?
В последнее время развиваются науки, изучающие биологические объекты и пытающиеся найти новые способы их применения. Так, бионика — наука, изучающая особенности строения и жизнедеятельности биологических организмов для создания новых машин и технологий, характеристики которых приближаются к характеристикам живых существ.
Биотехнология — совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства продукции, очистки сточных вод...
Генная инженерия — целенаправленное конструирование новых, не существующих в природе генов, позволяющих получить организмы с заданными наследуемыми свойствами. Метод основан на извлечении генов или генетических структур из клеток одного организма и внедрении их в клетки других организмов. Генная инженерия используется при разработке новых технологий.
Кроме этого бурными темпами развиваются биометаллургия, биоэнергетика, биоэлектроника. Материал для работы был взят как из книг по вышеназванным наукам, так и из патентного фонда. Основная масса изобретений, с использованием Б.Э., направлена на:
- прямое производство нужного продукта,
(например, а.с. № 1647032 "Способ получения L — лизина, предусматривающий культивирование штамма бактерий Brevibacterium flavum Е-531); - на устранение вреда от "железных" технологий.
1.3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ Б.Э.
Начнем с достоинств:
а. Высокая скорость увеличения биомассы, особенно у бактерий. За время жизни одного поколения человека сменяется 300.000 поколений бактерий. А гусеницы шелковичного червя за 56 дней увеличивают свой вес в 56 тысяч раз!
б. Б.О. являются самонастраиваемыми и самовоспроизводящимися системами со многими обратными связями. Например: в помещении свиноферм, где выращивают поросят, рекомендуется температура 27оС. Инженеры Иллинойского университета (США) усомнились в этом. В питомнике были установлены переключатели, с помощью которых поросята, нажимая кнопки своими "пятачками", могли сами выключить и включить отопление. Поросята, одолев новую премудрость, стали поддерживать температуру своего помещения на гораздо более низком уровне, чем сократили расход электроэнергии почти наполовину! Особенно сильно, на 10 и более градусов, поросята снижали температуру по ночам.
(Журнал "Изобретатель и рационализатор", 1986г. №8 с.26.).
в. Б.О. позволяют избежать вредных последствий, неизбежных при применении "железных" систем и технологий.
г. Применение Б.Э. позволяет использовать ресурсы, почти не имеющиеся у Т.С. — работа сразу на нескольких уровнях, эффект научения, память, возможность мутаций, стрессовые состояния, изменение характеристик в разное время года, при изменении климата, разница характеристик в живом и мертвом состоянии...
д. Минимум затрат на создание организмов. Для выполнения необходимых функций используются готовые системы. Правда, в биотехнологии создают новые, несуществующие ранее организмы, но из готовых, природных объектов.
е. Возможность создания новых организмов с заданными качествами. Например: с помощью генной инженерии ученые внедрили в вирус ксантомас, вызывающий заболевания у кочанов капусты, ДНК светящегося организма. Теперь колонии вирусов светятся подобно светлячкам, что позволяет определить распространение болезни у капусты.
Можно сделать вывод, что системы с применением Б.О., идеальнее, чем стандартные "железные" системы, направленные на выполнение тех же функций.
Например: ядовитые и неуклюжие неорганические катализаторы заменяются на биокатализаторы — энзимы. Так энзим-монооксидаза окисляет метан до метанола при 350 С и с большим выходом, чем обычный процесс на хром-цинк-окисных катализаторах, которые требуют 400-5000С и дают малый выход — 15% спирта.
(Журнал "Изобретатель и рационализатор",1990г.№ 11, с.36).
Еще пример: в США предполагают, что производственные линии по изготовлению пластиков должны располагаться не на заводе, а в поле. Линиями по производству пластиков должны стать растения, вырабатывающие пластик. В 1991г. одна британская фирма ввела в действие предприятие, где в больших ферментерах выращивается до 300 тонн бактерий-"пластиков".
В этом же году в ходе изучения почвенных бактерий Alcaligenes eutropus уcтановлено, что если их лишить азота, то бактерии начинают вырабатывать полимеры из так называемых полигидрооксиалканоатов. Подобно тому, как медведи наращивают жир, готовясь к зиме, эти бактерии начинают запасать пластик, когда ощущают нехватку азота или кислорода. Если же поступление азота или кислорода восстанавливается, о пластик превращается в питательные вещества. Правда в небольших количествах.
Вскоре был создан штамм бактерий, заполненных пластиком до отказа: он составляет до 75% собственного веса. А ведь бактерии только начало. Через год удалось заставить растение арабидопсис — маленький сорнячок из семейства горчичных — вырабатывать полимер. Но самое интересное в том, что биопластики разлагаются естественным путем и не будут приносить такой вред окружающей среде, как промышленные.
(Журнал "Бизнес Уик", 1992, № 2-3, с.45).
И в завершение. У светлячка энергия горения дает 92% света, а 8% — тепла. У электрической лампочки — 6% свет, остальная энергия уходит в тепло.
Перейдем к недостаткам применения Б.О.:
а. Результат работы Б.О. не всегда стабилен, из-за значительного разброса параметров. Сейчас это устраняют дублированием-введением нескольких Б.О. с однотипным реагированием на внешнее воздействие. Если большинство живых существ ведет себя определенным образом, значит результат не случаен.
б. Сложность культивирования Б.О., поддержания необходимых для них условий. С усовершенствованием процессов культивирования этот недостаток, вероятно, исчезнет.
в. Сложно предсказать экологические последствия от использования Б.О. Тем более при конструировании новых генов, организмов, существование которых не обусловлено ни эволюционно ни экологически. Появление подобных организмов, растений, бактерий, вирусов может повлиять на функционирование биосферы.
г. Возможность недопустимо жестокого обращения с Б.О.
Вы знаете, как готовят к выходу на арену циркового тигра, медведя или бегемота? Чтобы не случилось конфуза на глазах у зрителей, их бьют железным тросом по задним ногам. Бьют до тех пор, пока животное от нестерпимой боли не освободит кишечник и мочевой пузырь. Теперь животное готово для представления. И так поступают до тех пор, пока не закрепится рефлекс на трос. После этого животное будет справлять нужду от одного вида источника жгучей боли.
Ужасно! А не будут ли подобным образом применяться указанные в этой работе и найденные позже биологические эффекты?
Ответа на этот вопрос у автора нет.
1.4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УКАЗАТЕЛЯ Б.Э.
Биологические эффекты разбиты на три основных раздела:
- Биовещественные эффекты — взаимодействие Б.О. и вещества.
- БиоПолевые эффекты — взаимодействие Б.О. и Поля.
- Управление Б.О. — если мы встраиваем в технические системы биологические объекты, то должны уметь управлять ими.
В каждом разделе выделены функции, выполняемые Б.О. Так, в главе "Биовещественные эффекты" это:
- обнаружение веществ;
- накопление;
- преобразование;
- выделение;
- поглощение;
- выполнение транспортных операций;
- выполнение функций сторожа;
- строительные работы.
Наиболее подходящей формой построения указателя Б.Э. может быть модель: "вход" — Б.О. — "выход". (Рис. 1).
Зная, какое действие нам нужно получить ("выход"), выделяем структурный уровень биологического объекта, и, в конце концов, узнаем, какое действие нужно произвести с Б.О.
Рисунок 1. Структура Указателя биологических эффектов
вверх
