Н.Н. СЕНЬКИНА,
учитель биологии школы № 17,
п. Богородское, Московская обл.

Урок-конференция по бионике

Задачи урока: закрепить представление о естественном отборе как главном факторе эволюции; показать значение биологических знаний для развития техники, архитектуры, приборостроения и т.п.

Оборудование: таблицы по теме урока: схема «Опорные точки урока».

Подготовка к конференции.

Учащиеся заранее готовят сообщения по следующим темам.

1. «Архитектурная бионика» (о связи бионики с архитектурой: стволовая архитектура; конструкции с предварительным напряжением; конус, сетчатые, решетчатые и ребристые конструкции, фотосинтез и архитектура; трансформация).

«Биомеханика» (о взаимосвязях с техническими дисциплинами: биомеханические модели; полет насекомых; гидродинамика живых систем; аэродинамические прототипы; живые землеройные снаряды).

«Использование особенностей строения живых организмов в бионике» (гидролокация в природе; камерный глаз животных; природные термолокаторы; крылатые эхолокаторы; живые радары.)

Вопросы и задания для повторения

1. Какие особенности строения животных и растений используются человеком в строительстве, промышленности и т.д.?
2. Какое значение имеет изучение биологии для научно-технического прогресса?
3. Как можно использовать в строительстве принцип организации растительных организмов?
4. Приведите примеры эхолокации и электролокации у живых организмов.

ХОД КОНФЕРЕНЦИИ

Вводное слово учителя

Бионика – междисциплинарная наука о конструировании технических систем на основе идей, заимствованных у живой природы.
Людей всегда интересовало, можно ли достичь того же, чего достигла живая природа. Можно ли, например, научиться летать, как птицы, или плавать под водой, как рыбы? Сначала человек только мечтал об этом: он придумывал сказки о волшебном ковре-самолете, о подводных царствах, где могут жить люди. Однако это не было пустой фантазией, и человек искал способы воспроизведения того, что он видел в природе. С незапамятных времен люди пытались подражать природе, копировать внешний вид различных организмов и принципы действия их органов при создании машин или устройств.
Эволюционная теория Ч.Дарвина, опираясь на представление о естественном отборе, объяснила сущность и внутренний «механизм» процесса поступательного развития живой природы. Спрашивается, какое отношение к техническим проблемам нашей эпохи имеет теория Ч.Дарвина? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к экологической морфологии (см. схему).
«Жизненная форма» – одно из основных понятий экологической морфологии. Это единица экологической системы. Правда, предметом изучения экологической морфологии могут быть не только жизненные формы, но и отдельные адаптации организмов к жизни на суше, в воде, почве. Жизненная форма – это приспособительный тип организмов, обладающих внешним сходством. К одной жизненной форме могут быть отнесены организмы как близкородственные, так и далекие по степени родства, но сходные по облику и поведению.
Рассмотрим примеры жизненных форм у животных.

Выступления учащихся

Первый ученик рассказывает о животных торпедовидной формы – гидробионтах (рис. 1). Имея сходный облик, они относятся к разным систематическим группам, различающимся по своему внутреннему строению. Морская стрелка относится к типу Щетинкочелюстные; кальмар – к типу Моллюски; барракуда –к классу Костистые рыбы из типа хордовых; ихтиозавр – вымерший вид из класса Рептилии; тюлень – из класса Млекопитающие.
Перечисленные животные относятся к быстродвижущимся хищным животным – обитателям открытых морских пространств и обладают сходным поведением. В процессе эволюции возникли сходные морфологические приспособления: обтекаемая форма тела, хвостовой плавник, органы захвата добычи (челюсти, щупальца), хорошо развитые органы зрения. Это морфологическое сходство достигается за счет органов, нередко имеющих разное происхождение. Например, хвостовой плавник может быть образован кожными складками (стрелка, кальмар), хвостовым отделом тела с позвоночником (рыбы, рептилии), задними конечностями (тюлень).

Рис. 1. Жизненная форма – торпедовидные гидробионты: 1 – стрелка (тип Щетинкочелюстные); 2 – кальмар (тип Моллюски); 3 – барракуда (класс Рыбы); 4 – ихтиозавр (класс Рептилии); 5 – тюллень (класс Млекопитающие)

Рис. 2. Жизненная форма – червеобразные геобионты: 1 – нематода (тип Круглые черви); 2 – дождевой червь (тип Кольчатые черви); 3 – перипатопсис (тип Онихофоры); 4 – личинка слепня (тип Членистоногие); 5 – червяга (тип Хордовые класс Земноводные)

Второй ученик рассказывает о животных червеобразной формы – геобионтах (рис. 2), т.е. обитающих в почве. Это представители животных из разных систематических групп: почвенная нематода (тип Круглые черви), дождевой червь (тип Кольчатые черви), перипатопсис (тип Онихофоры), личинка слепня (класс Насекомые, тип Членистоногие), червяга (класс Земноводные, тип Хордовые). Перечисленные животные способны прокладывать ходы в почве, где они находят пищу и укрытие.
Несмотря на различия внутреннего строения, они имеют сходные приспособления к роющему образу жизни в почве. У них длинное тело с сильно развитой мускулатурой, способствующей червеобразному движению. У некоторых из них тело имеет наружно-внутреннюю сегментацию (дождевой червь, личинка слепня, перипатопсис), у других – ложную, только наружную сегментацию (червяга), а у нематод наблюдается тончайшая кольчатость структуры кутикулы.

Третий ученик рассказывает о летающих крылатых животных, относящихся к жизненной форме аэробионтов (рис. 3). Это стрекоза (класс Насекомые), рамфоринх (класс Рептилии), утка (класс Птицы), летучая мышь (класс Млекопитающие).

Рис. 3. Жизненная форма – крылатые аэробионты:
1 – стрекоза (тип Членистоногие класс Насекомые);
2 – рамфоринх (тип Хордовые класс Рептилии);
3 – утка (класс Птицы); 4 – летучая мышь (класс Млекопитающие)

Несмотря на существенные различия в организации, эти животные имеют внешнее, габитуальное, сходство в связи с приспособленностью к полету. Наиболее характерная их особенность – наличие крыльев. Однако происхождение этих органов различно. У насекомых – это склеротизированные складки покровов тела, у птиц, птерозавров – измененные передние конечности. Летательная поверхность крыла у птиц представлена маховыми перьями у рамфоринха – кожной складкой, идущей от плеча, предплечья и удлиненной фаланги к телу; у летучей мыши – сплошной складкой кожи между несколькими вытянутыми фалангами передних конечностей, задними конечностями и хвостом.

Учитель. Рассмотренные примеры плавающих торпедовидных, роющих червеобразных и летающих крылатых животных представляют разные жизненные формы.
«Жизненная форма растений» – также понятие морфоэкологическое. В габитусе растений отражается их приспособленность к существованию в определенных условиях.

Четвертый ученик рассказывает о жизненных формах растений (рис. 4). Например, для тундры характерны стелющиеся древесные формы, относящиеся к жизненной форме стлаников. Это березы, сосны, ивы. Их небольшие размеры, стелющиеся стволы, поверхностная корневая система позволяют выживать в условиях сильных ветров и вечной мерзлоты. В каменистых и глинистых пустынях, на скалах, каменистых островах обычны подушковидные растения. В тропических лесах широко распространены жизненные формы лиан; в саваннах – бутылочные деревья, накапливающие влагу в тканях стволов.
Некоторые водные растения относятся к жизненной форме с плавающими листьями. Это разнообразные кувшинковые: белая кувшинка, кубышка, виктория-регия. У них широкие округлые и плавающие листья, нередко и плавающие цветки, а в тканях корневищ, стеблей и черешков листьев множество воздушных камер, обеспечивающих плавучесть. В аридных условиях распространены растения-суккуленты, накапливающие влагу в различных тканях. К жизненной форме стеблевых суккулентов относятся, например, кактусы и молочай, а к листовым суккулентам – алоэ и агава.

Учитель. Наш век называют веком экологии. По социальному значению экология в системе наук заняла лидирующее положение. Экологической морфологии принадлежит существенная роль как в общей экологии, так и в ее прикладных областях: биоценологии, биотехнологии, экологической инженерии. Она непосредственно связана с бионикой, использующей модели некоторых морфологических адаптаций в технике.
При решении задач технического моделирования конкретных приспособлений организмов необходимо оценивать весь комплекс особенностей, характерных для жизненной формы животного, взятого в качестве модели. Например, при создании летательных или плавающих аппаратов учитывается общий габитус и целый комплекс свойств животных-аэробионтов или гидробионтов. Создаваемые конструкции должны обладать функциональной целостностью, как и копируемые ими биологические системы.
Уже давно совместно с инженерами, конструирующими модели летательных аппаратов, работают энтомологи, которые изучают жизненные формы насекомых с разными типами полета. Особенно перспективным считается моделирование жизненной формы аэробионтов с машущим полетом (двукрылые, перепончатокрылые). На основе изучения движений животных, относящихся к жизненной форме поверхностных геобионтов, передвигающихся при помощи конечностей, отечественной бионикой созданы шагающие машины, способные подниматься по крутым склонам гор и передвигаться по бездорожью, а также луноходы.

Пятый ученик рассказывает о стволовой архитектуре. «Роль стебля, главным образом, архитектурная: это твердый остов всей постройки», – говорил великий русский ученый К.А. Тимирязев. Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники. Примером тому является растение пухонос из семейства осоковых. Конструкция его стебля в поперечном разрезе удивительно похожа на конструкцию фабричной дымовой трубы.
Сооружения, созданные природой, намного совершеннее того, что умеет делать человек. Немало в природе растений, отличающихся большой высотой при минимальной площади опоры. Они приспособлены к действию внешних нагрузок и гравитации. Так, тяжелые соцветия легко несут аконит, дельфиниум и борщевик, диаметр соцветия которого нередко в 50 раз превышает диаметр стебля.
Величайшим достижением мастерской природы является стебель злаков – соломина. У тростника она достигает 3 м, имея в поперечнике всего лишь 15 мм, а у стебля ржи отношение диаметра стебля к его высоте (коэффициент стройности) достигает 1 : 500, причем соломина несет еще и груз (колос), вес которого в 1,5 раза больше веса стебля.
Большие прочность и устойчивость таких высотных природных конструкций обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью их работать как на сжатие, так и на растяжение. В стебле злаков большую роль играют его веретенообразная форма и узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы. И не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.
На основе принципов строения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа. Принцип строения стебля пшеницы положен в основу проекта высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу напора ветра и сокращают нагрузку на основание (рис. 5).

Рис. 5. Стволовая архитектура:
1 – борщевик; 2 – пшеница 3 – аконит; 4 – разрез стебля пухоноса; 5 – макет сверхвысотного здания с демпферами-перехватами; 6 – схема разреза фабричной дымовой трубы

Шестой ученик рассказывает о конструкциях с предварительным напряжением. Среди травянистых растений нашей средней полосы широко распространено растение манжетка обыкновенная. Его легко заметить по складчатой форме листьев и сверкающей капельке влаги, которая часто скапливается у основания листа. Именно благодаря складчатой форме листьев растение и получило свое название: сложенные ровными складочками его листья напоминают старинные кружевные манжеты.
Ребристая форма листа манжетки, бука, лапчатки придает им по сравнению с такими же листьями, имеющими гладкую поверхность, дополнительную жесткость, прочность и устойчивость в пространстве. Так, лист манжетки благодаря ребристой форме удерживает тяжелую каплю воды и не сминается под тяжестью во много раз большей, чем его вес.
В этом заключается одна из интереснейших закономерностей природы: упрочение конструкции за счет их специальной формы. Она проявляется не только в складчатых листьях, но и тогда, когда листья или лепестки растений свертываются в трубочку, закручиваются в спираль, образуют причудливые желоба, т.е. принимают другую пространственную форму без затрат на это дополнительного строительного материала. Такое изменение формы в пространстве обеспечивает растению, его листьям и цветкам наибольшую прочность и позволяет, например, закрученным длинным листьям рогоза держаться в вертикальном положении, а нежным, длинным лепесткам венерина башмачка противостоять ветру (рис. 6).

Рис. 6. Складчатые конструкции:
1 – манжетка; 2 – трансформированный лист злака; 3 – венерин башмачок; 4 – лист бука; 5 – мост в виде полусвернутого листа; 6 – схема принципа сопротивляемости складчатой конструкции

Принцип упрочения за счет специальной формы нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатая конструкция – одна из простейших среди многообразия природных конструкций. Образованная плоскими поверхностями, она проста в изготовлении и в монтаже. Такие конструкции могут перекрывать весьма большие сооружения, например, зал ожидания на Курском вокзале или легкоатлетический манеж Института физкультуры в Москве.
Копируя природные структурные формы, мостовикам удалось создать ряд оригинальных проектов и сооружений. Так, взяв за основу форму полусвернутого листа, инженеры спроектировали мост через реку, сочетавший в себе поразительную прочность и легкость, экономичность и красоту конструкции.

Продолжение следует