Техника-молодежи №8 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

«Как цыпленок из яйца» - под таким заголовком в «ТМ», № 4 за 2000 г., была опубликована статья С.Зигуненко, рассказывающая о некоторых аспектах развития нанотехнологии. На нее обратил внимание профессор Московского государственного университета леса, член Международной механохимической ассоциации и научного совета по кибернетике РАН (секция бионики) Юрий Михайлович ЕВДОКИМОВ. Публикуем его заметки, посвященные развитию данной темы.

АДГЕЗИЯ В ОРГАНИЗМЕ

По патентам природы

Все время человек учился и продолжает учиться у природы. Не слепо копируя ее, а привнося свое видение и опыт. Наблюдение за полетом птиц привело к созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха. Изучение воронок, образующихся в воде, позволило дать научные рекомендации по выведению стальных птиц из штопора. Анализ строения берцовой кости человека пригодился при проектировании знаменитой Эйфелевой башни, а форма яичной скорлупы использована при строительстве купола музея К.Э. Циолковского в Калуге...

Кстати, сама по себе природная «технология» получения этой самой скорлупы в организме птицы в модернизированном виде легла в основу и возведения подобных куполов методом торкретирования; жидкая бетонная смесь напыляется, точнее, набрызгивается на поверхность и, застывая, дает тонкую, но прочную скорлупу-оболочку.

Проводились в нашей стране и опыты по созданию искусственных «рифов», о которых сообщается в статье С.Зигуненко на примере разработок немецкого дизайнера Р Дернаха. Подобными работами еще в 1970-е гг. занимались сотрудники лаборатории архитектурной бионики ЦНИИТИА под руководством Ю.С. Лебедева.

Они не только обратили внимание, что скорлупа птичьего яйца является одной из наиболее совершенных форм природы, но и произвели математические расчеты подобных многофокусных поверхностей, отличающихся широким диапазоном изменения кривизны. На основе этих расчетов уже несложно получать чертежи тех или иных конкретных оболочек.

Были проведены также опыты по изготовлению физических моделей подобных биоформ на станках с ЧПУ, а также продувка их в аэродинамических трубах с целью выбора тех, которые бы наилучшим образом противостояли стихийным бедствиям - ураганам и штормам.

Биссусные нити

Интересная методика создания подводных сооружений была разработана и на кафедре химии Московского государственного университета леса. Ее авторы - Ю.М. Евдокимов и Д.С. Крестов - решили использовать не только процессы обрастания, как это предлагает Р.Дернах, но и склеивания. Такие модели, созданные по «патенту» мидии, были опробованы и испытаны в прибрежной зоне Черного моря ленинградскими исследователями.

Суть же дела тут такова. Съедобный моллюск, распространенный по берегам Черного, Белого, Средиземного и многих других морей, прикрепляется к скалам тонкими и прочными нитями, так называемым биссусом. Оторвать ракушку от скалы не может даже самый сильный прибой. Нити эти, как и паук, мидия выделяет из специальной железы, дающей клейкую жидкость, которая быстро затвердевает и хорошо прилипает к самым разным поверхностям даже в воде.

Застывшие биссусные нити у самой мидии короткие, но у некоторых других, более крупных моллюсков, они настолько длинны, что в древности их пряли, делали дорогую блестящую ткань виссон, похожую на шелковую. В XVIII в. пара перчаток, сотканных из нее, стоила в Италии 20 золотых дукатов - баснословную по тем временам сумму Ведь на 4-5 дукатов человек довольно безбедно мог прожить целый год

Американский биолог Дж. Уэйт задался целью изучить состав биссуса. Чтобы набрать один грамм клейкого белка, ему понадобилось 10 000 ракушек Оказалось, что биссус растворяется в кислотах, но стойко противостоит хлороформу, ацетону, спирту, бензолу и большинству других растворителей. Способен он устоять и против ферментов, расщепляющих обычные белки.

Биохимический анализ показал, что молекула секрета моллюска представляет собой цепочку из тысячи аминокислот, порядок расположения которых ныне, в основном, расшифрован. В ней 80 раз повторяется последовательность из 10 аминокислот и есть 200 дополнительных звеньев. Само же вещество имеет консистенцию меда, прилипает к камням, бетону, стали и другим поверхностям. Одновременно железой выделяется специальный фермент, связывающий молекулярные цепи этого белка в единую массу.

Исследованиями биссуса заинтересовались многие фирмы и ведомства. Понятное дело, не для того, чтобы наладить производство «ракушечного шелка» - сегодня мы имеем достаточное количество его синтетических заменителей. А вот прочное клейкое вещество, быстро схватывающееся под водой, прочно сцепляющееся с самыми различными поверхностями, пригодилось бы, например, для сращивания поломанных костей в хирургии, для вклеивания зубных протезов, для ремонта глазной роговицы...

При налаженном производстве, подобный материал пригодился бы и в промышленности. Зачем использовать сварку, когда при ремонте, скажем, судна, пластырь на пробоину можно просто приклеить? Пока же нанотехнологи бьются над тем, чтобы выделить из мидии ген, отвечающий за синтез клейкого белка. Затем его хотят ввести в организм каких-либо неприхотливых, быстро размножающихся бактерий, которые примутся производить желаемый продукт в больших количествах. Тогда килограмм клейкого белка будет стоить не 15 000 долларов США, как сейчас, а в 10 000 раз дешевле.

«Желудевые» рецепты

Мы же задумались вот над чем. Мидия - не единственное существо, обладающее такими свойствами. В наших морях обрастание подводной части судов, причалов и т.д. происходит большей частью за счет работы других организмов, например, белянуса, или, как его еще называют, «морского желудя».

Белянусы прилипают к днищу судов и подводным сооружениям так прочно, что их удаление представляет нелегкую проблему - приходится использовать вибромолот либо пескоструйку. Природный клей скрепляет поверхности в 2-3 раза прочнее, чем искусственный. Удалось расшифровать и его состав - С3Н5002 представляет собой аморфный метилированный полисахарид, состоящий из 5 шестичленных колец глюкозы с внутренними эпоксидными группами. Отвердителем клея служит окружающая среда, то бишь вода. Прочность склеивания сохраняется в интервале температур от минус 230 ° С до плюс 320° С! Найдены скелеты морских желудей, которые намертво сцепились с другими ископаемыми объектами еще 15-20 мян лет назад. Так что долговечность этих клеевых швов проверена временем.

А ведь, кроме указанных, в морях обитает еще масса других организмов: мшанки, асцидии и т.д. И они тоже способны прилипать на подводные кабели, внутреннюю часть водозаборных труб, даже на кожу китов... В общем, тут есть над чем поэкспериментировать.

На первых порах часть экспериментов провела Г.Б.Брандт - старший научный сотрудник лаборатории архитектурной бионики ЦНИИТИА. Она и ее коллеги, по существу, повторили зарубежные работы. Легкий ажурный каркас из тонких металлических проволочек с заранее заготовленными проемами для окон и дверей, опускался под воду и спустя некоторое время с помощью микроорганизмов покрывался «бетонным панцирем».

Затем к исследованиям подключились сотрудники академика Агаркова из Киева. Был проведен ряд экспериментов на побережье Черного моря. Однако, к сожалению, злополучная «перестройка» разобщила сложившийся было коллектив исследователей - мы теперь живем в разных государствах.

Клеи повсюду

Но кое-что прояснить все-таки удалось. Для получения конструкционных слоев требовалось несколько месяцев. Конечно, это долго. Нельзя ли как-то ускорить процесс? Было замечено, что заселение «колоний» происходит быстрее уже на подготовленную первопроходцами поверхность. То есть длительнее всего идет образование первого слоя белянусов.

Стимулировать же их работу удалось приложением слабого электростатического поля (порядка нескольких вольт) к металлическому каркасу. Нашу догадку подтвердили и ученые Франции, опубликовавшие данные своих исследований. Время изготовления конструкционного слоя таким образом было снижено до 3-4 недель!

Да и вообще, в ходе работы мы пришли к выводу. что адгезия - прилипание клейких веществ к поверхностям - явление, скорее, общебиологическое. нежели специфически техническое В самом деле: как адгезионные явления можно рассматривать и "сращивание" коры дерева со стволом, и соединение привоя и подвоя различных пород... К тому же ряду явлений можно отнести и сращивание костей после переломов, "сварку" сетчатки глаза при ее отслоении... Взаимодействие сперматозоида с яйцеклеткой, процессы образования метастаз при онкологических заболеваниях - все это тоже адгезионные процессы.

Кстати, медикам известно, что в предраковом состоянии снижается электрический потенциал клеток. Согласно общепринятой теории адгезии, при этом должно происходить снижение прочности сцепления клеток между собой, что опять-таки облегчает внедрение пришельцев, обладающих высоким потенциалом. А это обстоятельство наводит на возможность лечения онкологических болезней с помощью манипулирования электрическими потенциалами клеток. Если верны сведения о том, что причиной болезни Дауна является «склеивание» некоторых хромосом - 21-й, 23-й или 17-й, - опять-таки возможно исправление ошибок природы за счет ослабления генной «адгезии».

Большие возможности просматриваются тут после недавнего открытия так называемых «молекул клеточной адгезии» нескольких типов, способных, в числе прочего, прилипать к клеткам и влиять на их работу. Такие молекулы. вероятно, могут быть использованы в качестве «отмычек» к различным клеевым замкам, что позволит решить многие задачи, стоящие ныне перед медиками и генетиками: предотвратить отторжение донорских органов, уменьшить эффективность вирусных и микробных инфекций, найти пути излечения болезней типа СПИДа...

Пожалуй, на этом и остановимся. И так нас занесло уж бог знает куда. Начинали с бионических строительных конструкций, а перешли уж к конструкциям самих живых организмов


на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу