Биотехнологии в освоении Мирового океана
ствовать в
гармонии, не нанося вреда друг другу. Очень хочется в это верить
Сейчас, по мере возможности, нужно делать все, чтобы наше
технократическое начало не подавляло духовное (это может быть масса
экопроектов, направленных на оказание помощи себе и окружающим нас
организмам – избавление от удушающих смогов промышленных предприятий, от
громадных свалок мусора, путем его переработки, который, если мы не
опомнимся, будет составлять единственную достопримечательность нашей
планеты; от вредных стоков, которые убивают все живое, от захоронений в
Мировом океане вредных отходов. Будем стремиться направлять технику
настоящего и будущего в доброе, позитивное русло.
2.2. Анализ особенностей водной среды, ее влияния на формообразование
организмов.
Анализ системы средовых условий позволяет уменьшить число факторов,
влияющих на формо- и структурообразование природных объектов, исключить
малоэффективные или случайные факторы, а также позволяет выявит средства и
приемы, которыми «пользуется» природа для формообразования организмов,
наилучшим образом отражающих влияние факторов сред обитания. Именно эти
приемы и средства возможно реализовать в искусственном объекте.
Итак, вода является средой, по существу, для всех химических
процессов, происходящих в биосфере. Содержание воды в тканях организмов
примерно в 5 раз больше, чем во все реках земного шара.
Особенности водной массы: огромный объем, перемешиваемость,
теплоемкость, идеальная способность растворять самые различные химические
соединения, наличие солей (25 минеральных солей), насыщенность жизнью,
химическими и биологическими процессами, остатками и продуктами
жизнедеятельности живых организмов.
В воде содержится строго ограниченное количество кислорода,
необходимого животным для дыхания. Этого кислорода достаточно лишь для
химических преобразований, сопутствующих росту, и для движения животных в
поисках пищи. На любой глубине морским организмам нужно меньше энергии,
чтобы жить и двигаться, чем представителям живой фауны. Плотность морских
животных и растений очень близка к плотности воды, в которой они живут.
Лишь редкие живые организмы обитают на поверхности: гораздо удобнее жить в
среде, которая, поддерживая животное, избавляет его от необходимости делать
постоянные усилия для того, чтобы не всплыть и не затонуть. Только у очень
немногих обитателей водной среды плотность тела точно соответствует
плотности воды. Существуют, однако, различные способы, при помощи которых
таким животным удается регулировать свою плавучесть так, чтобы без особых
усилий оставаться в воде во взвешенном состоянии.
Кроме поваренной соли морская вода содержит также целый ряд других
химических соединений.
В воде растения (как и на суше) служат основой для всех других форм
жизни, поэтому крайне необходимо, чтобы в поверхностных слоях воды, где
сосредоточена водная растительность, имелся постоянный запас нитратов,
фосфатов, кальция и кремния. Все процессы и явления в водной среде
взаимосвязаны и взаимообусловлены.
Одним из фундаментальных принципов, которому подчиняется
формообразующий процесс, является симметрия. Симметрия порождающей среды
как бы накладывается на симметрию тела, образующегося в этой среде.
Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей
собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами
симметрии среды.
Заменим организмы упрощенной статичной моделью и спроецируем на нее
воздействие факторов водной среды. Изотропность, как один из этих факторов
обеспечит этой модели форму шара, а три взаимно перпендикулярные плоскости
симметрии придадут шару форму овалоида, или трехосного эллипсоида. Такова
форма морской гальки – окатанных волнами камней.
2.3. Анализ особенностей формообразования водных организмов и
отражение этих особенностей в подводных средствах движения.
Еще совсем недавно человек с завистью смотрел на птиц, которые с
легкостью покрывают большие расстояния.
Но человек не напрасно носит свое громкое имя. Он научился летать
быстрее и дальше птиц.
Значительно хуже обстоят дела с подводным плаванием. Здесь созданные
человеком устройства уступают водным животным, как по абсолютной скорости,
так и по экономичности.
Приведем некоторые данные по скорости плавания: дельфин – 15-18 м/с;
тунец – 25 м/с; рыба-меч – 35 м/с. Самая современная подводная лодка
с мощностью атомных двигателей в десятки тысяч киловатт развивает скорость
лишь 15-16 м/с
В последнее время проблема резкого повышения скорости хода подводных
тел и связанная с ней чрезвычайно трудная проблема существенного снижения
гидродинамического сопротивления этих тел приобрела особое значение. Для
разработки указанных проблем ученые и инженеры, кроме привлечения обычных
методов, все чаще начали обращаться к изучению биологии живых существ,
обитающих в водной среде, особенно к раскрытию и использованию законов их
движения.
В бассейне Мирового океана, который включает в себя все соленые воды
океанов и морей, и пресные воды озер и рек, содержится бесчисленное
множество разнообразных водных животных, таких как рыбы, китообразные,
головоногие моллюски. Они находятся в воде всю жизнь, совершают длительные
океанские переходы по несколько тысяч миль и являются настоящим
проводниками. В процессе естественноисторического развития в течение
десятков миллионов лет у этих животных вырабатывались свои особые
приспособительные функции и органы для подводного движения и преодоления
гидродинамического сопротивления воды. В определенном смысле названных
подводных обитателей можно рассматривать как объекты «природной
гидродинамической лаборатории».
Поскольку вода в 800 раз плотнее воздуха, у движущегося в воде
организма всякий выступ, всякая неровность на теле создают сопротивление
еще более ощутимое, чем у птицы в воздухе. Поэтому у быстро плавающих
организмов – рыб: тунца, скумбрии, марлина и других – тела удивительно
обтекаемой формы, спереди заостренные, быстро утолщающиеся до максимального
диаметра и затем изящно сужающиеся к двухпластному симметрическому
хвостовому плавнику. Обращает на себя внимание то, что как показал наш
анализ, у тунцов профиль приближается к ламинаризованному даже при малом
относительном удлинении тела (без хвостового плавника – около 3,6, т.е. со
значительной толщиной 28%) (ил. 3). Есть основания полагать, что два ряда
дополнительных малых плавников за миделевым сечением тунца образуют
гидродинамическую решетку, предназначенную для управления потоком в
диффузорной части, где он поступает на мощный хвостовой плавник.
Строители современных подводных лодок в полной мере оценили весьма
совершенные обводы водных животных и стали копировать их форму, создавая
свои аппараты.
Американская фирма «Лорал Электроникс» в 70-х годах выпустила
одноместную автономную лодку Т-14. Профиль лодки близко контуру
обыкновенного тунца. Ее размеры относительно невелики: длина 2м 90см,
ширина наибольшая, включая стабилизаторы, 1м 20см. (Для сравнения,
максимальная длина обыкновенного тунца составляет 4 м). Корпус лодки сделан
из алюминие-магниевого сплава, а прозрачный фонарь в носовой части – из
плексигласа.
По скоростным характеристикам Т-14 намного отстает от тунца:
скорость лодки Т-14 – 2м/с
скорость обыкновенного тунца – 30м/с.
(Но с данной скоростью обыкновенный тунец может плавать непродолжительное
время).
Лодка проходит под водой 12 км (запас в электроэнергии в
аккумуляторной батарее обеспечивает работу электродвигателя и других
устройств (фара, кинокамера) в течение примерно 2 часа).
Управление маневрами осуществляется с помощью расположенных в корме
вертикального и двух горизонтальных рулей им двух наклонных стабилизаторов.
Стабилизаторы имеют наклон в 45( к горизонту и примерно 30( в корму и
установлены на амортизаторах, отводящих их назад, оберегая тем самым при
столкновениях с препятствиями. Рулевая система обеспечивает лодке высокую
маневренность, причем маневры могут выполняться сравнительно на небольшом
пространстве.
На лодке Т-14 установлена стационарная дыхательная система,
обеспечивающая легко водолазу нормальное дыхание в течение 2,5–3 часов, а
также дополнительное оборудование, в которое входят комплект приборов, фара
и кинокамера.
Лодка создана была в первую очередь для военных (рассчитана на
буксировку груза весом до 500 кг).
Не хочется оставить без внимания интересную разработку инженеров
Массачусетского технологического института. Изучив, как плавают рыбы, они
создали робот, имитирующий движения тунца. Его окрестили Чарли.
– Подобно живому тунцу из породы «голубой плавник», Чарли движется,
изгибая позвоночный столб и создавая импульсы, доходящие до хвоста, –
объясняет механизм плавания робота инженер Дэвид Баррет. – Движения Чарли
обеспечивают 6 маленьких электромоторов, которые передают крутящий момент
спинному хребту через сухожилья. Этот проект очень важен для
кибернетического переосмысления функций живых организмов. Попытка
разобраться в волновом движении рыб приведет к созданию новых, более
| |  скачать работу |
Биотехнологии в освоении Мирового океана |
