Тест по биологии: Зоология и техника (8 класс)

Пояснение:

Бионика — это прикладная наука, которая находится на стыке биологии и техники. Её основная задача заключается в изучении принципов организации, свойств, функций и структур живой природы с целью их последующего применения при создании новых технических устройств и систем. Учёные-бионики анализируют, как эволюция решила ту или иную «инженерную» задачу в живых организмах, и пытаются воспроизвести эти решения в искусственных материалах и технологиях. Таким образом, бионика позволяет черпать вдохновение из миллионов лет естественного отбора для создания более эффективных, надёжных и экономичных технических решений.

Пояснение:

Леонардо да Винчи, гений эпохи Возрождения, был не только выдающимся художником, но и пытливым учёным и изобретателем. Он был одержим идеей полёта и посвятил много времени изучению строения и механики крыльев птиц и летучих мышей. В своих записных книжках он оставил множество детальных чертежей и эскизов летательных аппаратов, так называемых орнитоптеров, которые должны были приводиться в движение мускульной силой человека. Его работы являются одним из самых ранних и ярких примеров того, как человек пытался скопировать природные «технологии» для решения сложных инженерных задач, что по сути является предтечей современной бионики.

Пояснение:

Принцип действия застёжки-молнии был заимствован из строения пера птицы. Если рассмотреть перо под увеличением, можно увидеть, что оно состоит из центрального стержня и отходящих от него тонких бороздок. Эти бороздки, в свою очередь, оснащены миниатюрными крючочками, которые сцепляются друг с другом, образуя единую, прочную и лёгкую поверхность — опахало. Именно этот механизм надёжного и быстроразъёмного сцепления множества мелких элементов лёг в основу конструкции застёжки-молнии. Этот пример наглядно демонстрирует, как наблюдение за природой может привести к созданию полезных и широко используемых в быту изобретений.

Пояснение:

Эйфелева башня в Париже является одним из самых впечатляющих примеров применения бионики в архитектуре. При её проектировании инженер Густав Эйфель использовал работы профессора палеонтологии Германа фон Мейера, который детально исследовал структуру головки бедренной кости человека. Мейер обнаружил, что внутренняя часть кости состоит из сложной сети миниатюрных косточек (трабекул), которые образуют строгую геометрическую структуру. Эта структура позволяет оптимально перераспределять нагрузку от веса тела, обеспечивая максимальную прочность при минимальном весе. Густав Эйфель гениально воспроизвёл этот природный принцип в металлической конструкции своей башни, что и обеспечило ей знаменитую прочность и ажурность.

Пояснение:

Учёных-биоников поражает удивительная способность многих животных к навигации. Перелётные птицы, морские черепахи, угри, осетры и лососи способны преодолевать тысячи километров во время своих миграций и безошибочно возвращаться к местам размножения. Они используют сложные системы ориентации, которые могут включать чувствительность к магнитному полю Земли, положение Солнца и звёзд, а также обоняние. Изучение этих природных «навигаторов» направлено на создание высокочувствительных и надёжных систем слежения, наведения и распознавания объектов для использования в авиации, судоходстве и робототехнике. Природа демонстрирует примеры навигационных систем, которые по своей точности и энергоэффективности превосходят многие технические аналоги.

Пояснение:

Гремучие змеи обладают уникальным органом чувств, который позволяет им «видеть» тепло. Это специальные термочувствительные ямки, расположенные на голове между глазом и ноздрёй. Эти органы настолько чувствительны, что способны улавливать инфракрасное излучение и различать изменения температуры с невероятной точностью — до одной тысячной доли градуса Цельсия (0,001°С). Эта способность позволяет змее обнаруживать и атаковать теплокровную добычу (грызунов, птиц) даже в полной темноте, ориентируясь на тепло, которое излучает их тело. Изучение этого природного термолокатора помогает в разработке высокоточных инфракрасных датчиков и систем ночного видения.

Пояснение:

Нервная система человека и животных является объектом пристального изучения в бионике с целью совершенствования вычислительной техники, автоматики и телемеханики. Учёные моделируют нервные клетки (нейроны) и нейронные сети, чтобы создать искусственные системы, обладающие преимуществами биологических. К таким преимуществам относятся гибкое восприятие информации (способность распознавать образы независимо от шрифта, почерка, тембра голоса) и, что особенно важно, высочайшая надёжность. В отличие от технических систем, которые выходят из строя при поломке одной детали, мозг сохраняет работоспособность даже при гибели сотен тысяч клеток. Этот принцип отказоустойчивости и параллельной обработки данных стремятся воспроизвести в современных компьютерах и системах искусственного интеллекта.

Пояснение:

Одним из ключевых преимуществ биологической нервной системы, которое стремятся воспроизвести в технике, является её феноменальная надёжность и отказоустойчивость. Технические системы, как правило, очень чувствительны к сбоям: поломка одного важного элемента может привести к отказу всей системы. В то же время мозг человека или животного способен сохранять свою функциональность даже при гибели значительного количества нервных клеток — нескольких сотен тысяч. Это достигается за счёт распределённой обработки информации и наличия избыточных связей между нейронами. Изучение этого принципа помогает создавать более надёжные и «живучие» компьютерные сети и системы управления.

Пояснение:

Некоторые животные обладают анализаторными системами, которые отсутствуют у человека. Одним из таких примеров является способность воспринимать радиоактивное излучение. Исследования показали, что такие социальные насекомые, как рыжие муравьи и термиты, обладают устройствами, чувствительными к ионизирующей радиации. Это позволяет им реагировать на изменения радиационного фона в окружающей среде, что может быть важно для их выживания и навигации. Изучение этих уникальных биологических детекторов может помочь в создании новых, более чувствительных и компактных приборов для измерения уровня радиации, которые найдут применение в экологии, промышленности и системах безопасности.

Пояснение:

Основная задача бионики заключается в целенаправленном изучении биологических объектов и процессов с целью выявления лежащих в их основе принципов и последующего использования этих принципов для решения инженерных задач. Бионика не занимается созданием гибридов или клонированием в чистом виде. Её цель — заимствовать у природы «идеи» и «решения», отточенные миллионами лет эволюции, для создания новых, более совершенных технологий, материалов и систем. Это может быть копирование формы, структуры, функций или организационных принципов живых систем для улучшения технических устройств и повышения их эффективности, надёжности и экономичности.

Пояснение:

Бионика является относительно молодой наукой. Её формирование как самостоятельного научного направления, находящегося на стыке биологии и техники, произошло во второй половине XX века. Хотя попытки подражать природе предпринимались человеком с древнейших времён, именно в этот период, на фоне бурного развития кибернетики, электроники и других наук, изучение биологических систем для решения инженерных задач приобрело системный характер. В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум, посвящённый бионике, что можно считать официальной датой её рождения как науки. С тех пор бионика продолжает активно развиваться, принося всё новые и новые плоды.

Пояснение:

Одним из ценных свойств нервной системы, которое учёные-бионики стремятся воспроизвести в технических устройствах, является её гибкое восприятие внешней информации. Биологические нейронные сети способны распознавать и обрабатывать информацию независимо от той формы, в которой она поступает. Например, человек легко узнаёт написанное слово, несмотря на различия в почерке, шрифте, цвете или размере букв, а также узнаёт знакомый голос, несмотря на изменения тембра или интонации. Современные компьютеры часто испытывают с этим трудности. Создание технических систем с подобной гибкостью восприятия является одной из важнейших задач в области искусственного интеллекта и машинного обучения.

Пояснение:

Помимо перелётных птиц, объектом пристального изучения в бионике для создания навигационных систем являются морские черепахи и некоторые виды рыб, такие как угри, осетры и лососи. Эти животные совершают поразительные по дальности и точности миграции. Например, морские черепахи проплывают тысячи километров по открытому океану, чтобы вернуться на тот же пляж, где они родились, для кладки яиц. Лососёвые рыбы находят родную реку, ориентируясь на её уникальный химический состав. Изучение их способностей к ориентации по магнитному полю Земли, солнцу, звёздам и запахам помогает разрабатывать новые, более автономные и точные системы навигации, не зависящие от спутниковых сигналов.

Пояснение:

Непосредственным автором исследования, которое легло в основу конструкции Эйфелевой башни, был швейцарский профессор палеонтологии и анатом Герман фон Мейер. За 40 лет до строительства башни он детально изучал внутреннюю структуру головки бедренной кости, где она изгибается и входит в тазобедренный сустав. Фон Мейер установил, что сеть миниатюрных косточек внутри головки кости имеет строгую геометрическую структуру, идеально приспособленную для распределения нагрузки. Инженер Густав Эйфель ознакомился с этими работами и использовал описанный фон Мейером принцип для создания своей знаменитой ажурной и при этом чрезвычайно прочной конструкции.

Пояснение:

Для разработки высокочувствительных систем обнаружения учёные-бионики в первую очередь исследуют органы чувств и другие воспринимающие системы животных. Многие животные обладают анализаторами, которые по своей чувствительности и принципам работы значительно превосходят человеческие и технические аналоги. Примерами могут служить термолокаторы змей, электрорецепторы некоторых рыб, уникальное обоняние собак и насекомых, а также эхолокация летучих мышей и дельфинов. Изучение этих биологических сенсоров позволяет создавать новые, более точные и миниатюрные датчики для медицины, экологии, промышленности и военных технологий, способные обнаруживать малейшие изменения в окружающей среде.

Пояснение:

Великий изобретатель и художник Леонардо да Винчи в своих поисках решения для полёта человека изучал не только птиц. Изначально он конструировал свой летательный аппарат, орнитоптер, по образу и подобию птичьего крыла. Однако позже, продолжая свои исследования, он пришёл к выводу, что перепончатое крыло летучей мыши может быть более эффективным. Он изменил конструкцию крыльев в своих чертежах, сделав их похожими на крылья этого млекопитающего. Это свидетельствует о его глубоком и всестороннем подходе к изучению природы и поиске наиболее оптимальных инженерных решений, которые она могла предложить.

Пояснение:

Рыбы обладают чрезвычайно развитыми органами химического чувства — обонянием и вкусом. Их обонятельные рецепторы, расположенные в ноздрях, способны улавливать ничтожно малые концентрации растворённых в воде веществ, что позволяет им находить пищу, обнаруживать хищников и партнёров для размножения, а также ориентироваться во время миграций. Вкусовые почки у рыб могут быть расположены не только в ротовой полости, но и на усиках, и даже по всему телу. Эта высокая химическая чувствительность представляет большой интерес для бионики при создании датчиков для анализа состава жидкостей, мониторинга загрязнения воды и поиска определённых веществ.

Пояснение:

Создание искусственных нейронных сетей, которые являются основой современного искусственного интеллекта, напрямую основано на моделировании принципов работы биологической нервной системы. Учёные стремятся воспроизвести структуру и функции мозга, состоящего из миллиардов взаимосвязанных нервных клеток — нейронов. Искусственные нейронные сети также состоят из соединённых между собой «нейронов», которые способны обрабатывать информацию, обучаться на примерах и выявлять сложные закономерности. Этот подход позволяет решать задачи, которые трудно или невозможно решить с помощью традиционного программирования, например, распознавание образов, речи и машинный перевод.

Пояснение:

Хотя малый вес и водонепроницаемость пера также являются важными свойствами, инженеров, создававших аналоги застёжки-молнии, в первую очередь привлёк механизм надёжного сцепления его элементов. Перо состоит из множества тонких бородок, которые, в свою очередь, несут на себе микроскопические крючочки. Эти крючочки от соседних бородок зацепляются друг за друга, образуя плотную и прочную поверхность — опахало. При этом, если целостность опахала нарушена, птица может легко восстановить её, просто проведя по перу клювом. Именно этот принцип простого, но очень надёжного и обратимого сцепления был заимствован для создания застёжки-молнии.

Пояснение:

В контексте бионики и информационных технологий нейрон — это, в первую очередь, биологическая нервная клетка, которая служит моделью и прототипом для создания искусственных аналогов. Нейрон является основной структурной и функциональной единицей нервной системы. Он получает, обрабатывает и передаёт информацию с помощью электрических и химических сигналов. Учёные, создавая искусственные нейронные сети, стремятся имитировать эти базовые свойства биологического нейрона: наличие входов (дендритов), тела клетки, где происходит обработка сигналов, и выхода (аксона). Совокупность таких искусственных нейронов позволяет создавать обучаемые компьютерные системы.