Инженерная биология

Скоро лето, а значит, изо всех щелей полезут мухи, комары и прочие летучие твари, не имеющие ни малейшего понятия о личном пространстве. И вот представьте следующую ситуацию: вы видите комара на фоне светлой стены или потолка, пытаетесь его прихлопнуть раз, другой, но он довольно ловок и потому ускользает от ваших рук; тогда вы принимаетесь пристально следить за ним, чтобы улучить момент для смертоносной атаки... И вот через несколько секунд комар внезапно исчезает, вот только что был виден, и уже через мгновение испарился, хотя вы как будто не теряли его из виду, не отводили взгляд! Он не пропал, не спрятался - вы всё ещё слышите его писк, значит, он где-то рядом - где угодно, но не там, где секунду назад вы его видели. Случалась с вами такая ситуация? Со мной - регулярно.Каким же телепортом обладают насекомые, чтобы так резко и внезапно пропадать из нашего поля зрения? Ведь очевидно же, что нельзя потерять из виду движущуюся тёмную точку на светлом фоне! На самом деле, эти ребята эксплуатируют одну важную особенность нашего зрения. Один из архетипичных образов монстров из сай-фай-хорроров - это чудовище, которое остаётся невидимым, потому что следит за вашим взглядом и каждый раз перемещается так, чтобы оставаться в области слепого пятна вашего глаза. Нетрудно догадаться, что если глаз два, да они к тому же постоянно совершают микродвижения, то задача оставаться невидимым таким способом становится практически невыполнимой. Природа, как обычно, гораздо более изобретательна; слепое пятно - не самая серьёзная уязвимость нашего зрения.Вот свет прошёл сквозь все камеры и линзы глаза и попал на сетчатку; вот фоторецепторы сетчатки преобразовали свет в нервный импульс; вот нервный импульс побежал по зрительному нерву в мозг; вот он обработался в различных частях мозга... Нетрудно догадаться, что на каждый из этих процессов затрачивается время, но обычно нам кажется, что оно пренебрежимо мало, и потому мы видим мир таким, каков он есть на самом деле. Но так ли мало это вр

Эта способность не дана нам сразу от рождения - познавая мир, исследуя предметы, их массы, ускорения и прочие параметры, мы учимся предсказывать их будущие траектории движения. Тренировка предсказания траектории мяча или шайбы - одна из важнейших частей подготовки вратарей: чем больше полётов мяча ты видел, тем точнее сможешь предсказать новую траекторию.Именно такое домысливание вместо реального видения позволяет нам полностью компенсировать задержку настоящего зрения. Но оно же порождает разнообразные зрительные артефакты. Наиболее известными такими артефактами являются многочисленные зрительные иллюзии (это не единственная причина появления иллюзий, но одна из). В физиологии анализаторов есть понятие "инерции репрезентации", обнаруженное в 80-х годах прошлого столетия (Freyd, Finke, 1984). Подопытным предъявляли вращающийся прямоугольник, который в определённый момент времени застывал в вертикальном положении и после этого исчезал; когда людей спрашивали, каково было последнее положение прямоугольника, они утверждали, что он был слегка повернут по ходу движения относительно вертикали. На основании предыдущей траектории вращения наш мозг попросту достраивал грядущее вращение и не был готов к резкой остановке.В другом классическом эксперименте (Nijhawan, 1994) была вращающаяся палка, центр которой светился постоянным светом, а кончики - мигающим. И вот подопытные утверждали, что им кажется, будто мигающие концы в своём вращении запаздывают относительно центрального участка - так как они были видны не всё время, то у мозга было меньше данных об их траектории, а потому он строил её не так точно.И вот этим эффектом "домысливания" нашего зрительного восприятия пользуются (совершенно ненамеренно, конечно) быстролетающие насекомые. Траектория полёта комара выглядит довольно хаотичной, насекомое постоянно меняет скорость и направление; нашему мозгу сходу не удаётся увидеть в ней сколь-нибудь предсказуемую закономерность. Поэтому мы видим комара лишь тогда, когда в его пол

Так что в следующий раз при встрече с комаром, чтобы избежать подобной ошибки восприятия, сразу завязывайте глаза, доставайте из ножен меч и отрубайте этой твари крылья, ориентируясь только на слух. Прямо как истинные самураи.

Кератин - сам по себе белок сравнительно мягкий, но это не мешает делать из него клювы и когти бритвенной остроты, сохраняющие эту остроту постоянно. Как же это удаётся делать животным? Об этом и пойдёт речь в данной статье.У этого текста довольно странная история происхождения. Как-то ко мне обратился редактор одного из сетевых изданий, где публикуются в том числе и посты научно-популярного характера, и попросил написать для них статью. Я предложил несколько тем на выбор, он согласился на одну из них, а когда я написал и прислал статью, то она была отвергнута со словами "слишком просто написано". Я поинтересовался, а как же тогда по мнению редактора нужно писать, и он прислал мне пример опубликованной у них статьи. Фактология этой статьи была проще и тривиальнее моей, а вот терминология - сложнее. Тогда я решил, что нам с этим редактором не по пути: ведь мне казалось, что научпоп - это "просто о сложном", а не "сложно о простом". Ну а излишне ли просто я пишу - тут уж решать вам. По крайней мере, издания вроде "Вокруг света" не жалуются :)

А завтра у нас даже будет лонгрид, как в старые добрые времена 😊 Поговорим о том, как из не самых твёрдых материалов сделать постоянно острые предметы.

В прошедшую пятницу мы с вами обсудили способность коллагена превращать кожу из панциря в жижу и обратно, и какое важное значение это могло бы иметь для наших технологий. А вот ещё одно свойство коллагена уже очень давно эксплуатируется человеком, причём в довольно жуткой форме.Вы наверняка видели в кино мелкие человеческие головы - обычно они являются одним из характерных визуальных атрибутов какого-нибудь мутного оккультного магазина, где происходит завязка сюжета. Такие головы называются тсантса, и в реальности их изготавливали индейцы хиваро, живущие на территории современного Эквадора.Тсантса - это настоящие человеческие головы, только сильно уменьшенные (они выглядят прямо-таки игрушечными) в результате специальной обработки. У хиваро с этим связан особый религиозный обряд, тсантса делают из голов павших врагов, всё такое, но этнографических вопросов мы сейчас касаться не будем. Нас интересует другое: в самом деле - а как вообще можно так сильно "усушить" нормальную человеческую голову?Конечно, задача сильно упростится, если знать, что это не вся голова, а только её кожа - череп со всем остальным в процессе изготовления тсантса выкидывается. Изготовление качественной "сушёной головы" - дело довольно трудоёмкое (нужно следить, чтобы отдельные части лица не деформировались, и конечный продукт обладал портретным сходством со своим прежним владельцем), но в общем виде простое: кожа, спущенная с головы, набивается горячим песком и после этого начинает "усыхать", съёживаться. Происходит это по следующей причине.Значительную часть дермы нашей кожи составляют коллагеновые волокна, организованные в сложную сеть, - именно они в основном и придают нашей коже прочность и эластичность. И давно известно, что эти волокна при нагреве способны сильно укорачиваться (до трети от первоначальной длины). Это возникает из-за того, что в нормальном коллагене белковые нити строго организованы - лежат параллельно друг другу, однако при денатурации они теряют эту стройную организацию, р

Существование мутабельной соединительной ткани позволяет иглокожим изрядно экономить мышечную энергию. Представьте себе морскую звезду, охватившую лучами раковину двустворчатого моллюска, чтобы открыть её и съесть владельца - довольно типичная картина для морского дна. Раковина двустворок устроена таким образом, что её "нормальное" положение - слегка приоткрытое, а чтобы её держать закрытой, нужно постоянно напрягать мышцы-замыкатели, то есть каждую минуту с закрытой раковиной моллюск тратит энергию - не то чтобы много, но всё же. А вот морская звезда, охватив моллюска, делает из своих покровов единую изогнутую пластинку, в которой уже в самый момент создания есть механическое напряжение, стремящееся её разогнуть. Таким образом, моллюск противостоит открытию своей раковины мышечным напряжением, а звезда пытается открыть раковину механическим напряжением импровизированной "пружины". Нетрудно догадаться, что по истечению какого-то времени первым сдастся именно моллюск, когда устанет - звезда же устать не может по определению. Конечно, это может наступить даже не через час - но поверьте, звезде спешить абсолютно некуда.Конечно, когда мутабельная соединительная ткань была открыта (а произошло это примерно в середине ХХ века), то её очень активно начали исследовать бионики. Шутка ли - а вдруг удастся создать материал переменной в настолько широких пределах твёрдости! А ведь можно ещё делать предметы с памятью формы, что особенно важно для космических аппаратов. И в этом направлении даже были достигнуты определённые успехи, однако получившиеся материалы всё-таки пока не обладают должным диапазоном твёрдости и "скоростью реакции", как покровы живых иглокожих, а потому они получили очень ограниченное распространение в робототехнике и протезировании. Но - кто знает, куда приведёт нас зоология и биомеханика завтра?

Можете ли вы себе представить, что ваша кожа может стать твёрдой и прочной, как доспех? Это несложно - ведь мы же знаем о черепахах, а их брюшной панцирь - это исключительно производное кожи.А можете ли вы себе представить, что ваша кожа внезапно стала жидкой и текучей, почти как вода? "Но зачем?!" - удивитесь вы.А что если я вам скажу, что есть в нашем мире животные, чьи покровы могут быть и прочными, как доспехи, и текучими, как вода, и переход между этими состояниями занимает считанные секунды? И эти животные - иглокожие.За разнообразие механических структур в нашем организме отвечают в первую очередь разные соединительные ткани. Среди них есть ткань, обладающая буквально каменной прочностью, - кость, и ткань жидкая - кровь. Однако в покровах иглокожих присутствует совершенно особый тип соединительной ткани (он есть только у иглокожих, но при этом у всех их представителей, это одна из характернейших черт данного типа животных), объединяющий в себе механические черты кости и крови, он так и называется - мутабельная (то есть "переменчивая") соединительная ткань.Изменение прочности этой ткани находится под нервным контролем, иначе говоря - в каждый момент времени животное само решает, покровы какой твёрдости ему нужнее прямо сейчас. Вот на иглокожее напала хищная рыба - и оно превращается в жёсткую палку, которая непременно встанет поперёк горла, а раскусить не получится - больно твёрдая. Вот есть какая-то щёлочка между камнями, куда хорошо бы проползти - не беда, расжижим покровы так, чтобы они не мешали превратится в тонкую пластиночку. Вот кто-то схватил за луч, и никак не достать эту часть тела из пасти хищника - ну так пусть и луч, и остальное тело будут твёрдыми, а вот основание луча пусть станет жиденьким, по нему луч и оторвётся, а остальное животное спасётся.Мутабельная соединительная ткань играет с иглокожими довольно злую шутку на воздухе. Дело в том, что в воде даже самая "жидкая" кожа поддерживается архимедовой силой, а на воздухе этого нет - и вытащенн

Тут в свежем номере "Вокруг света" вышла моя статья!Этот выпуск посвящён Солнцу - когда ещё печатать такое, кроме как в декабре? При его подготовке мне написал редактор с предложением поразмышлять на тему, могла ли существовать в реальности Жар-птица и как объяснить её "сказочные" свойства с точки зрения современной науки (у "Вокруг света" есть такая регулярная рубрика про "объяснение фантастики"). А так как я, с одной стороны, занимаюсь анатомией и физиологией позвоночных и очень люблю птиц, а с другой - просто обожаю "Конька-Горбунка" (и знаю наизусть значительную часть этой сказки, в том числе и эпизод с Жар-птицей), то незамедлительно ответил: "Ребята, я в этом шарю!"Статья получилась на пару разворотов (ограничение самого журнала, так-то я бы побольше написал 😁), страницы 82 - 85. Стоя перед ограничением по объёму, поймал себя на мысли, что значительную часть даже самого простого околонаучного текста приходится отводить на дисклеймеры, чтобы читатель не думал, будто, прочтя такой маленький текст, он в своём познании тут же преисполнится - постоянно приходилось писать что-то вроде: "В общих чертах всё так, но на деле всё гораздо сложнее". Надеюсь, из-за этого мои коллеги будут бить меня палками не так больно, как могли бы :)А ещё редактор вырезал финал моей статьи, где я рассуждал о редкости жар-птиц, о том, как сильно беспокоил их Иван своей охотой, и сколько ещё просуществовала их популяция (но к ХХ веку уже точно вид должен считаться вымершим). Ну что ж поделать, объём есть объём..."Вокруг света" со временем выкладывает старые статьи в открытый доступ у себя на сайте, но за свежими добро пожаловать в печатный номер. Стоит он что-то около 300 рублей, и там есть ещё множестве интересных материалов кроме моей "Жар-птицы". Выкладывать тут пдфку было бы не очень вежливо по отношению к редактору; впрочем, декабрьский номер уже доступен совершенно бесплатно на некоторых сайтах буквально по первым ссылкам из поисковика, поэтому тут моя неприязнь к пейволлам не наход