Бионика. Прошлое, настоящее и будущее

Только лишь после нескольких лет соответствующих исследований удалось обеспечить качение колес по рельсам, и необходимость в искусственных ногах отпала. Можно привести много примеров неудачного переноса свойств живой природы в технику, которые и привели к появлению в середине ХХ века учения о том, что, создавая технику, не следует подражать живой природе, так как принципы устройства живых организмов и машин различны. Главное различие, якобы, состоит в том, что в живых организмах нет колес, и им не свойственно вращательное движение.

Тем не менее, в этот период использование биологических аналогов не было вообще бесплодным. Многие ученые все же продолжали изучать живую природу и черпать из ее кладовых новые изобретения.

Одним из краеугольных камней бионики является использование и исследование биотоков. Первым эти работы начал великий итальянский врач, анатом, физиолог и физик Луиджи Гальвани, открыв биоэлектричество в живых организмах и разработав учение об общих закономерностях организации технических устройств и животных. Остановимся подробнее на этом моменте.

С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу и множество неприятностей.

Столкнувшись с новым незнакомым явлением, Гальвани как истинный сын своего века начинает тщательно и всесторонне исследовать новое по тем временам направление электрических токов в живых существах. Он ставит самые разнообразные опыты. Например, показывает, что эффект движения отделенных конечностей наблюдается и тогда, когда отделенная от тела лапка лягушки двигается от воздействия электрического тока. И даже тогда, когда лягушачья лапка включается в цепь между громоотводом и землей, она сокращается в тот момент, когда проскакивает молния.

Но как бы ни были интересны эти опыты, никаких принципиально новых сведений об электрических явлениях в живых организмах они не давали: была обнаружена еще одна форма раздражающего действия электричества, но ведь и физики знали, что тела можно электризовать без прикосновения, на расстоянии.

В 1786 г. Гальвани начинает новую серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного» атмосферного электричества. К этому времени было показано, что электричество есть в атмосфере и в отсутствие грозы. Поняв, что лапка лягушки является в некотором смысле очень чувствительным электрометром, он решил попробовать обнаружить с ее помощью это атмосферное электричество. Лапки на решетке своего балкона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не сокращалась ни при какой погоде.

И вот 26 сентября 1786 г. лапка, наконец, сократилась. Но это произошло не тогда, когда изменилась погода, а при совершенно других обстоятельствах: лапка лягушки была подвешена к железной решетке балкона при помощи медного крючка и свисающим концом случайно коснулась решетки, Гальвани проверяет: оказывается, всякий раз, как образуется цепь «железо – лапка – медь», тут же происходит сокращение мышц лапки независимо от погоды. Гальвани переносит опыты в помещение, использует разные пары металлов и регулярно наблюдает сокращение мышц лапки лягушки.

Это уже что-то совершенно новое, никаких источников электричества поблизости нет (нет ни машины, ни грозы), а лапка лягушки сокращается.

Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени, когда эффектные публичные демонстрации были очень популярны. Лапка подвешивается на медном крючке, соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокращается и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыкается, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шкатулки, вновь поднимается и т. д. Возникает, как считал Гальвани, нечто вроде электрического маятника.

Как же объяснить эти наблюдения? Во времена Гальвани предполагалось, что металл нельзя наэлектризовать трением. Гальвани, как и другие ученые его времени, считал, что электричество не может возникать в металлах, но они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает, что источником электричества в этих опытах являются сами мышечные ткани лягушки, а металлы только замыкают цепь.

Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что можно обойтись и просто кусочком медной проволоки. При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, и оно бывает слабее, но это уже мелкая деталь. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила сокращения не измеряется. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны – рассуждает Гальвани.

Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом: задней лапкой лягушки с отпрепарированным нервом и сохраненным кусочком спинного мозга. В первом же удачном опыте, когда лапка висела на балконе, а медный крючок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик лапки коснулся железной решетки, Гальвани решает, что это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие.