Биомиметика как проект самоорганизации человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

БИОМИМЕТИКА КАК ПРОЕКТ САМООРГАНИЗАЦИИ ЧЕЛОВЕКА

Овчинникова Д.Е., Суптеля В.С.,

Каныгина О.Н., д-р физ.-мат. наук, профессор,

Сальникова Е.В. д-р биол. наук, доцент

«Наука-игра, связанная с риском, но тем не менее науке удалось найти вопросы, на которые природа дает непротиворечивые ответы» -

И. Пригожин

В последние годы наблюдается бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название «синергетика». Хотя термин “синергетика” был введен Г. Хакеном для обозначения феномена согласованного действия элементов сложной системы без управляющего воздействия извне, он может быть оправдан и в более широком смысле - как обозначающий взаимодействие природы и человека [11].

Наука нового времени заранее предполагает технические воплощения, но сначала нужно выяснить законы природы, превратить их в собственные возможности, а затем пользоваться этими возможностями по своему усмотрению. Биомиметика в этом смысле делает следующий шаг. То, что она может предложить - это не объективное описание мира, а проекты действий [1].

Биомиметика, используя новые открытия из биологии и биотехнологии, заняла самостоятельное место в прорывных конвергентных технологиях 21 века, соединив в себе как междисциплинарную область знаний живой природы, успехи рукотворной инженерии, реализуя на практике синергетику взаимопроникновения всех высоких конвергентных технологий [1].

Синергетика - междисциплинарное направление научных исследований, возникшее в начале 70-х гг. и ставящее в качестве своей основной задачи познание общих закономерностей и принципов, лежащих в основе процессов самоорганизации в системах самой разной природы: физических, химических, биологических, технических, экономических, социальных [3].

Под синергетическим подходом понимается метод научного понимания, в основе которого лежит системный анализ саморазвивающихся, эволюционирующих систем, которым присущи периоды расцвета и упадка. В системах можно выделить динамические аттракторы, то есть процессы самоорганизации информации, возникновение новых параметров порядка, а также точки бифуркации. Именно в точках бифуркации решающее значение имеют флуктуации как стохастические процессы. Флуктуации - случайные отклонения параметров развития от их среднего значения. Эффект разрастания флуктуаций означает в нелинейном мире, что малые причины могут порождать большие следствия. С ростом числа флуктуаций система постепенно становится неустойчивой. Когда значения флуктуирующих параметров превысят мощность действия стабилизирующих факторов, то сколь угодно малое изменение параметров приводит к скачкообразному (качественному) переходу в новое состояние. Наступает бифуркация. Понятие «бифуркация» ввел в научное употребление физик Анри Пуанкаре. Бифуркация - поле ветвящихся возможных путей эволюции [11]. В точке бифуркации изменяется структура системы и определяется выбор аттрактора. Аттрактор - одна из возможных траекторий нового пути развития системы, отличающаяся относительной устойчивостью. Траектория будущего развития системы определяется ее внутренними свойствами [4]. Рассмотренная универсальная схема эволюционного процесса представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема эволюционного процесса развития системы

В области химии синергетика сосредотачивает свое внимание на тех явлениях, которые сопровождаются образованием макроскопических структур. Обычно, если дать реагентам провзаимодействовать, интенсивно перемешивая реакционную смесь, то конечный продукт получается однородным. Но в некоторых реакциях могут возникать временные, пространственные или смешанные (пространственно-временные) структуры. Наиболее известным примером может служить реакция Белоусова-Жаботинского, в которой наблюдаются концентрические волны или спирали [11].

Рисунок 2 - Концентрационные волны в реакции Белоусова - Жаботинского

Методы и принципы синергетики оказываются применимы в химии и на молекулярном уровне, в частности являются теоретической предпосылкой для возникновения биомиметики.

Одним из бурно развивающихся направлений современной биотехнологии является целенаправленный синтез биосенсоров с заданными свойствами. Перспективным направлением в этой области является создание высокочувствительных биосенсоров и их миметиков, в которых качестве рабочих материалов (биоселекторов) используются ферменты [5].

Так, одна из задач, которую нам придется решить рано или поздно, -- производство заменителя естественного ископаемого топлива, которое не наносило бы существенного вреда окружающей среде. Одно из возможных решений видится в получении жидких спиртов из короткоцепочечных и газообразных алканов, здесь самым перспективным кандидатом принято считать изобутанол. Его может производить рекомбинантная кишечная палочка Escherichia coli. Но в метаболическом пути, который закончится получением изобутанола, должны участвовать два фермента, которым необходим в качестве кофактора восстановленный никотинадениндинуклеотидфосфат (НАДФН), а обычные клетки E. coli вырабатывают восстановленный никотинадениндинуклеотид (НАДН), что понижает эффективность биосинтеза изобутанола. Ученые использовали направленную эволюцию, изменив ферменты таким образом, что они начали работать с НАДН, и в результате кишечные палочки стали производить изобутанол со 100%-ным выходом. В век автоматизации, данное открытие в области конвергентных технологий может стать средством для дальнейшего существования человека [6].

Примером «копирования» человеком системного естественного процесса является искусственное оплодотворение. Разработка и внедрение в клиническую практику метода экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) явилось наиболее значимым достижением репродуктологии, обеспечившим «прорыв» в решении проблемы бесплодия в последние десятилетия. Метод ЭКО предоставил уникальную возможность реализовать функцию деторождения при различных формах трубного бесплодия, вплоть до полного отсутствия маточных труб или при их глубоких анатомических изменениях [10].

Но не стоит забывать и о недостатках данного метода. По совокупности факторов, связанных с этиологией и патогенезом бесплодия, характером и длительностью лечения, возрастом, соматическим здоровьем, особенностями психоэмоционального статуса и технологии ЭКО, пациентки после ВРТ относятся к группе риска по невынашиванию беременности. У всех беременных, прошедших программу ЭКО, имеется хотя бы один, а чаще несколько факторов, отягощающих течение беременности. Например, при неудачном стечении обстоятельств побочным фактором ЭКО является развитие у матерей онкологических заболеваний, чаще всего - рак молочной железы [10].

Биомиметика отражает идею динамической изменчивости, коэволюции и онтогенеза за счет возможности замены структур. Искусственная сетчатка могла бы вернуть зрение многим людям, однако, создавая такие импланты, ученые сталкиваются с решением непростых задач, не последняя из которых -- воссоздание цветного зрения. Исследователи из университета в КНР создали маленькое гибкое устройство, имитирующее работу рецепторов человеческого глаза. Фактически это тонкий слой перовскитного материала, который, поглощая свет, генерирует электрический сигнал. Так же работают перовскитные солнечные батареи, находящиеся в двух шагах от коммерческого применения. Перовскиты -- это природные или синтетические вещества, строение кристаллической решетки которых подобно структуре минерала перовскита (титаната кальция CaTiO₃) [7]. Изображение устройства представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Виртуальное изображение фоторецепторов на гибкой подложке.

Конечно, новое устройство -- еще не искусственная сетчатка, но исследователи верят, что из перовскитов со временем удастся сделать импланты. Пока речь не идет о том, чтобы встроить устройство в глаз человека, -- это задача отдаленного будущего. Чтобы передавать в мозг цветные образы, искусственную сетчатку нужно как-то подключить к глазным нервам, но как именно -- сегодня никто не знает [7].

Большинство исследователей во все времена стараются предсказать будущее, стараются быть на шаг впереди для комфортного и безопасного существования человечества. Попытки спрогнозировать природные явления и последствия современных научных разработок являются основной целью жизни человека. Практика «копирования» у природы - это выигрышная позиция, но она чревата последствиями.

Человек, как и все обитатели планеты Земля, появился благодаря эволюции. А в конце ХХ века он сам научился ее использовать. И ладно бы для сотворения живых существ, для лучшего протекания химических реакций. Вопрос состоит только в том, какова цена копирований и усовершенствований природных явлений человеком [6].

Антропогенные катастрофы, появление новых, доселе неизвестных, заболеваний и мутаций дают нам понять, что гонка с природой никогда не проходит бесследно. Направленная эволюция дает человеку прогресс, который сложно переоценить, но и влечет за собой последствия, которые сложно предсказать

Биомиметический прогресс можно рассматривать как средство улучшения качества жизни человека, который позволяет применять новые виды энергии и новые материалы, тем самым превращая образование в необходимое условие полноценного человеческого существования. Появление в жизни человека инженерных конструкций заимствованных у природы является познанием, в первую очередь, естественных процессов, а затем практические навыки реализации их, что характеризует взаимодействие человека и природы как открытую систему [5].

Нельзя забывать и о недостатках практического применения синергетики, которые могут привести к значительному ущербу природе и человеку. В состоянии относительного равновесия, где развивается прогресс, может возникнуть и регресс. Это связано с появлением различных заболеваний и мутаций человека, диагностика и лечение которых требует новых химических материалов.

Направленная эволюция должна быть контролируемой, если мы хотим минимизировать негативные последствия от неизбежного прогресса. Гонка с природой может ни к чему не привести, если мы будет противопоставлять себя ей. Наука начала успешный диалог с природой. Парадокс заключается в том, что людям открылась пассивная природа, поведение которой можно сравнить с запрограммированной системой, которая следует определенному алгоритму. В этом смысле диалог с природой вместо того, чтобы способствовать сближению человека с природой - изолировал ее от него [9, 10].

концентрационные волны реакция фоторецептор

Список литературы

1Ализар А. Нанотехнологии вдохнули новую жизнь в бионику. Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.cnews. ru/reviews/index.shtml?2003/10/24/150716

2Аршинов В. И., Буданов В. Г. Роль синергетики в формировании новой картины мира. Вызов познанию. Стратегии развития науки в современном мире. / В. И. Аршинов, В. Г. Буданов. -- М.: Наука, 2004. -- С. 374-393.

3Буданов В. Г. Методология и принципы синергетики: статья. / В. Г. Буданов - М.:МГТУ ГА. - 2006 г. - 30 с.

4Емельянов В. В., Теория и практика эволюционного моделирования. / В. В. Емельянов -- М: Физматлит, 2003.

5Ильичев В.И. Бионика - синтез биологии и техники / В.И. Ильичев - М. Наука, 2004.С. 28-35.

6Курамшин, А. И. Не ждать милостей от эволюции - «Химия жизнь», 2018, №11

7Курамшин, А. И. Перовскитные пленки претендуют на роль сетчатки - «Химия и Жизнь», 2019, №6

8Мешкова В.В. Философия И.Р. Пригожина и диссипативные структуры современной химии / В.В. Мешкова, В.Р. Чичерина, О.Н. Каныгина - [Электронный ресурс]: материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбург. гос. ун-т. - Электрон. дан. - Оренбург: ОГУ, 2019.

9И. Р. Пригожин, И. Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. / И. Р. Пригожин, И. Стенгерс : Пер. с англ./ Общ. ред. В. И. Аршинова, Ю. Л. Климонтовича и Ю. В. Сачкова. - М.: Прогресс, 1986. - 432 с.

10Савельева, Г. М. Эко в лечении бесплодия. Ведение беременности и родов: журнал акушерства, 2003 - 30 с

11Хакен Г. Синергетика как мост между естественными и социальными науками. Синергетическая парадигма. Человек и общество в условиях нестабильности. / Г. Хакен -- М.:ПрогрессТрадиция, 2003. -- С. 106-123.

Размещено на Allbest.ru