Matter Matters

#1 Строить из костей и мышц

Био­ми­ме­ти­ка — это под­об­ласть нау­ки о мате­ри­а­лах. Она изу­ча­ет био­ло­ги­че­ские орга­низ­мы в попыт­ке выве­сти прин­ци­пы дизай­на, кото­рые мож­но исполь­зо­вать в про­из­вод­стве. Цель иссле­до­ва­ния — не про­сто вос­про­из­ве­сти кон­крет­ный мате­ри­ал, уже име­ю­щий­ся в при­ро­де. Напри­мер, шелк, про­из­во­ди­мый пау­ка­ми в каче­стве струк­тур­но­го осно­ва­ния для их сетей, явля­ет­ся очень вос­тре­бо­ван­ным мате­ри­а­лом. Его пре­дел проч­но­сти при отры­ве срав­ним с кевла­ром, из кото­ро­го про­из­во­дят пуле­не­про­би­ва­е­мые жиле­ты. Пау­ки — хищ­ни­ки, поэто­му они не могут быть одо­маш­не­ны подоб­но шел­ко­пря­дам. Выде­ле­ния пау­ков нуж­но бук­валь­но «извле­кать»: иден­ти­фи­ци­ро­вать бел­ки, кото­рые в длин­ных цепях обра­зу­ют нить шел­ка; изо­ли­ро­вать гены, кото­рые коди­ру­ют бел­ки, затем внед­рить их в одо­маш­нен­ное живот­ное (в дан­ном слу­чае — в козу); и, нако­нец, полу­чить шелк из моло­ка козы в виде густой пас­ты и про­пу­стить при экс­трак­ции через мел­кие отвер­стия для полу­че­ния отдель­ных нитей. Что-то подоб­ное уже при­ме­ня­ет­ся в неко­то­рых про­из­вод­ствен­ных отрас­лях. Но это не отно­сит­ся к био­ми­ме­ти­ке, посколь­ку не про­ис­хо­дит позна­ния каких-либо абстракт­ных прин­ци­пов, кото­рые мож­но при­ме­нить в рабо­те с дру­ги­ми мате­ри­а­ла­ми. Пра­виль­ным при­ме­ром био­ми­ме­ти­ки было бы изу­че­ние позво­ноч­ных в кон­тек­сте несу­щих кон­струк­ций с целью полу­че­ния зна­ний об уни­каль­ной ком­би­на­ции их костей (несу­щих нагруз­ку на сжа­тие) и мышц (несу­щих нагруз­ку на рас­тя­же­ние), что­бы затем при­ме­нить эту ком­би­на­цию в архи­тек­тур­ных кон­струк­ци­ях с абсо­лют­но дру­ги­ми материалами.

Кости инте­рес­ны по цело­му ряду при­чин. Подоб­но стек­ло­во­лок­ну и дру­гим ком­по­зи­там, они явля­ют­ся гибри­дом клея и измель­чен­ных кру­пиц, где кол­ла­ген игра­ет ту же роль, что и эпок­сид­ная смо­ла — в искус­ствен­но создан­ных ком­по­зи­тах, тогда как малень­кие кри­стал­лы мине­ра­лов игра­ют роль тон­ких воло­кон стек­ла. Прин­цип сов­ме­ще­ния клея и кру­пиц для полу­че­ния новых эмер­джент­ных свойств был сфор­му­ли­ро­ван еще в то вре­мя, когда люди впер­вые исполь­зо­ва­ли ком­по­зи­ты для созда­ния саман­ни­ка. Но кости таят в себе и дру­гие сек­ре­ты, кото­рые мож­но исполь­зо­вать на бла­го чело­ве­ка. Возь­мем, напри­мер, кости в связ­ке с хря­ща­ми — мате­ри­а­лом, кото­рый тоже содер­жит кол­ла­ген и может быть пре­об­ра­зо­ван в кость. Про­стой, но дей­ствен­ный прин­цип био­ми­ме­ти­ки здесь выра­жа­ет­ся в сов­ме­ще­нии двух мате­ри­а­лов, один из кото­рых может быть пре­об­ра­зо­ван в дру­гой. В био­ло­гии это под­ра­зу­ме­ва­ет, что ске­лет эмбри­о­нов может быть выстро­ен из более подвиж­ных хря­щей до того, как ста­нет уплот­нять­ся в кости. Исклю­че­ние здесь состав­ля­ют лишь внеш­нее ухо, кон­чик носа и кон­цы ребер. К тому же, с уче­том того, что кости ново­рож­ден­но­го уже обо­зна­че­ны, воз­ни­ка­ет про­бле­ма сохра­не­ния этих рабо­то­спо­соб­ных суста­вов, пока кости вырас­та­ют в дли­ну в несколь­ко раз отно­си­тель­но пер­во­на­чаль­но­го раз­ме­ра. При добав­ле­нии новых кле­ток и дви­же­нии извне к кра­ям смесь, исполь­зу­е­мая дру­ги­ми тка­ня­ми, раз­ру­шит наме­чен­ные гра­ни­цы костей. Реше­ни­ем здесь будет уве­ли­чи­вать дли­ну изнут­ри: хрящ, слу­жа­щий про­слой­кой меж­ду костя­ми, ста­нет точ­кой их роста и впо­след­ствии будет заме­щен костью, таким обра­зом сохра­няя функ­ци­о­наль­ные воз­мож­но­сти их гра­ниц. Более того, хрящ помо­га­ет кости вос­ста­но­вить­ся: после пере­ло­ма фор­ми­ру­ет­ся сгу­сток кро­ви, кото­рый заку­по­ри­ва­ет порван­ные сосу­ды и удер­жи­ва­ет сло­ман­ные части вме­сте; затем хрящ заме­ща­ет собой сгу­сток и впо­след­ствии сам ока­жет­ся заме­щен костью. Нако­нец, пори­стая при­ро­да хря­ща поз­во­ля­ет ему накап­ли­вать орга­ни­че­скую смаз­ку, кото­рая выте­ка­ет из него, когда одна из костей суста­ва опи­ра­ет­ся на дру­гую. Это поз­во­ля­ет костям сма­зы­вать­ся самостоятельно.

Мыш­цы же пред­став­ля­ют собой еще более инте­рес­ный мате­ри­ал. По сути, мыш­ца­ми назы­ва­ют сде­лан­ные из желе верев­ки, име­ю­щие кон­струк­цию выдвиж­но­го теле­ско­па — тако­го, в кото­ром слои мышц могут «насо­вы­вать­ся» друг под дру­га (как иду­щие одна за дру­гой труб­ки все мень­ше­го ради­у­са в теле­ско­пе), поз­во­ляя мыш­цам сокра­щать­ся в раз­ме­ре. Такая воз­мож­ность, в свою оче­редь, озна­ча­ет, что мыш­цы могут тянуть внеш­ние объ­ек­ты, т. е. они могут не толь­ко пас­сив­но выдер­жи­вать нагруз­ку, но и само­сто­я­тель­но ока­зы­вать дав­ле­ние. Посколь­ку тела живот­ных долж­ны иметь воз­мож­ность не толь­ко тол­кать, но и тянуть, мно­гие мыш­цы в теле исполь­зу­ют­ся попар­но и направ­ле­ны в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны. Утвер­жде­ние о том, что мыш­цы могут ока­зы­вать нагруз­ку фак­ти­че­ски озна­ча­ет, что они явля­ют­ся дви­га­те­ля­ми или мото­ра­ми — таким обра­зом, в теле чело­ве­ка нахо­дит­ся 600 таких дви­га­те­лей. Уче­ные-мате­ри­а­ло­ве­ды недав­но раз­ра­бо­та­ли руди­мен­тар­ные фор­мы искус­ствен­ных мышц. В резуль­та­те появи­лись, напри­мер, «умные гели», состо­я­щие из жид­ко­го рас­тво­ри­те­ля, сме­шан­но­го с твер­ды­ми цепя­ми поли­ме­ров. Спле­та­ясь друг с дру­гом, эти цепи дела­ют ком­по­зит вяз­ко­эла­сти­че­ским. К таким гелям мож­но при­ме­нять раз­лич­ные сти­му­лы (теп­ло­вые, элек­три­че­ские, хими­че­ские), кото­рые заста­вят их сжи­мать­ся или рас­тя­ги­вать­ся. Умные гели уже смог­ли заме­нить опре­де­лен­ные дви­жу­щи­е­ся меха­ни­че­ские части, такие как клапаны.

С точ­ки зре­ния иссле­до­ва­ния тех­но­ло­гии позво­ноч­ных акту­аль­ным прин­ци­пом явля­ет­ся тот факт, что раз­но­об­ра­зие дви­жу­щих­ся и несу­щих нагруз­ку струк­тур мож­но рас­ши­рить путем сов­ме­ще­ния пас­сив­но­го ком­по­зи­та (кости) с актив­ным. Это порож­да­ет дина­ми­че­ские струк­ту­ры, спо­соб­ные, напри­мер, пере­клю­чать­ся с одно­го типа дви­же­ния на дру­гой (для чет­ве­ро­но­гих это пере­ход с ходь­бы на рысь, затем — в галоп), где для каж­до­го типа исполь­зу­ют­ся раз­ные груп­пы мышц. При этом пере­хо­ды с одно­го типа дви­же­ния на дру­гой воз­ни­ка­ют при пре­одо­ле­нии осо­бых кри­ти­че­ских точек в ско­ро­сти пере­дви­же­ния. Но в слу­чае с костью важ­на не толь­ко игра­ю­щая клю­че­вую роль про­слой­ка в суста­вах (хрящ), но и про­слой­ка меж­ду костью и мыш­ца­ми.  Если бы мяг­кие мыш­цы свя­зы­ва­лись с твер­ды­ми костя­ми напря­мую, то соеди­не­ние было бы неук­лю­жим и неточ­ным. Мыш­цам необ­хо­ди­мо кон­тро­ли­ро­вать поло­же­ние костей на рас­сто­я­нии с помо­щью мате­ри­а­ла сред­ней жест­ко­сти — сухо­жи­лий. Так, управ­ля­ю­щие наши­ми кистя­ми мыш­цы рас­по­ло­же­ны выше в руках и соеди­ня­ют­ся с костя­ми в кистях при помо­щи длин­ных и тон­ких шну­ров сухо­жи­лий. Таким обра­зом, ито­го­вый урок био­ми­ме­ти­ки для про­ек­ти­ро­ва­ния кон­струк­ций заклю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем: созда­ние про­слой­ки меж­ду актив­ны­ми и пас­сив­ны­ми мате­ри­а­ла­ми тре­бу­ет исполь­зо­ва­ния спе­ци­аль­ных мате­ри­а­лов. По всей види­мо­сти, из чело­ве­че­ско­го тела и его при­ро­ды позво­ноч­но­го мож­но извлечь еще мно­же­ство уро­ков для исполь­зо­ва­ния в стро­и­тель­стве совре­мен­ных несу­щих конструкций.

#4 События, порождающие события

В мате­ри­аль­ном мире вряд ли най­дет­ся более важ­ное отно­ше­ние, чем отно­ше­ние меж­ду при­чи­ной и след­стви­ем. Тем не менее наше пони­ма­ние сути при­чин и след­ствий доста­точ­но при­ми­тив­но. Отча­сти в этом вино­ва­ты фило­со­фы, по мень­шей мере те, кто обыч­но пута­ет ана­лиз чело­ве­че­ско­го вос­при­я­тия свя­зи меж­ду при­чи­ной и след­стви­ем с ана­ли­зом сути кау­заль­ной зави­си­мо­сти. Так, когда-то дав­но фило­соф Дэвид Юм утвер­ждал, буд­то все, что мы бла­го­да­ря нашим чув­ствам узна­ем о при­чин­но­сти — это факт посто­ян­ной конъ­юнк­ции меж­ду собы­ти­ем, игра­ю­щим роль при­чи­ны (напри­мер, столк­но­ве­ние бильярд­ных шаров) и собы­ти­ем, игра­ю­щим роль след­ствия (изме­не­ние состо­я­ния дви­же­ния шаров). Мно­гие после­до­ва­те­ли фило­со­фа затем ста­ли счи­тать, что объ­ек­тив­ную при­чин­ность мож­но реду­ци­ро­вать до субъ­ек­тив­но­го вос­при­я­тия посто­ян­ной конъюнкции.

Про­бле­ма состо­ит в том, что наши чув­ства могут пере­дать толь­ко лишь факт суще­ство­ва­ния неиз­мен­ной слу­чай­ной свя­зи меж­ду дву­мя собы­ти­я­ми. Одна­ко нам недо­сту­пен про­цесс, с помо­щью кото­ро­го одно собы­тие может на посто­ян­ной осно­ве порож­дать дру­гое. Два после­до­ва­тель­ных собы­тия могут вос­при­ни­мать­ся ассо­ци­а­тив­но, но при этом не ощу­ща­ет­ся ника­кой необ­хо­ди­мой гене­ти­че­ской свя­зи меж­ду ними. Такая гене­ти­че­ская связь (или порож­де­ние одним собы­ти­ем дру­го­го) и состав­ля­ет объ­ек­тив­ность при­чин­но­сти. Мож­но с уве­рен­но­стью утвер­ждать, что для изу­че­ния неко­то­рых кау­заль­ных вза­и­мо­от­но­ше­ний нам необ­хо­ди­мо поль­зо­вать­ся посто­ян­ной конъ­юнк­ци­ей или обыч­ной чере­дой собы­тий в каче­стве дока­за­тель­ства воз­мож­но­го суще­ство­ва­ния кау­заль­ной свя­зи. При этом реду­ци­ро­ва­ние объ­ек­тив­но­го порож­де­ния одно­го собы­тия дру­гим до их наблю­да­е­мой неиз­мен­ной кор­ре­ля­ции было бы рав­но спу­ты­ва­нию при­чин­но­сти с теста­ми на ее обнаружение.

Дру­гая про­бле­ма тра­ди­ци­он­но­го под­хо­да заклю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем: посто­ян­ная конъ­юнк­ция ино­гда может высту­пать дока­за­тель­ством при­чин­но­сти, одна­ко этот кри­те­рий дей­стви­те­лен толь­ко для линей­ных при­чин — самых про­стых и наи­бо­лее меха­ни­че­ских видов при­чин­но­сти. Фор­му­ла линей­ной при­чин­но­сти гла­сит: «кон­крет­ная при­чи­на все­гда име­ет кон­крет­ное след­ствие». Такой обед­нен­ный под­ход к при­чин­но­сти обу­слов­лен линей­но­стью и, в свою оче­редь, высту­па­ет отлич­ной мише­нью для кри­ти­ков, утвер­жда­ю­щих, что такое про­стое отно­ше­ние не может объ­яс­нить богат­ство свя­зей, наблю­да­е­мых нами в мате­ри­аль­ном мире. Эту фор­му­лу мож­но обо­га­тить по мень­шей мере дву­мя раз­ны­ми спо­со­ба­ми. Пер­вый состо­ит в том, что­бы отка­зать­ся от сло­ва «оди­на­ко­вый», вто­рой — от сло­ва «все­гда». Пер­вый спо­соб порож­да­ет нели­ней­ную при­чин­ность — по край­ней мере, когда сло­во «оди­на­ко­вый» исполь­зу­ет­ся в отно­ше­нии интен­сив­но­сти при­чи­ны. Я при­ве­ду при­мер, понят­ный стро­и­те­лям несу­щих кон­струк­ций. В нем собы­тие «изме­не­ние веса, под­дер­жи­ва­е­мо­го стро­е­ни­ем» явля­ет­ся при­чи­ной, в то вре­мя как собы­тие «дефор­ма­ция» высту­па­ет конеч­ным результатом.

В сем­на­дца­том веке Роберт Гук дока­зал, что неко­то­рые мате­ри­а­лы вро­де мяг­кой ста­ли, часто исполь­зу­е­мой в стро­и­тель­стве совре­мен­ных зда­ний, ведут себя линей­но под нагруз­кой. Такие мате­ри­а­лы опре­де­лен­ным обра­зом рас­тя­ги­ва­ют­ся или сжи­ма­ют­ся в зави­си­мо­сти от нагруз­ки. Закон Гука может быть пред­став­лен в виде гра­фи­ка зави­си­мо­сти дефор­ма­ции от нагруз­ки или гра­фи­ка в фор­ме пря­мой линии (объ­яс­ня­ю­ще­го один из вари­ан­тов про­ис­хож­де­ния тер­ми­на «линей­ный»). Одна­ко при отоб­ра­же­нии зави­си­мо­сти нагруз­ки от дефор­ма­ции мно­гие орга­ни­че­ские мате­ри­а­лы пока­зы­ва­ют J‑подобную кри­вую. Так, неболь­шое рас­тя­ги­ва­ние губ про­из­во­дит зна­чи­тель­ное рас­тя­же­ние, но как толь­ко пря­мая часть бук­вы «J» ока­зы­ва­ет­ся достиг­ну­та, любое допол­ни­тель­ное натя­ги­ва­ние уже не поз­во­ля­ет добить­ся зна­чи­тель­но­го допол­ни­тель­но­го рас­тя­же­ния, хоть и может при­чи­нить ощу­ти­мую боль. Этот при­мер пока­зы­ва­ет нели­ней­ное отно­ше­ние меж­ду интен­сив­но­стью при­чи­ны и интен­сив­но­стью эффек­та: при­чи­на с малой интен­сив­но­стью про­из­во­дит отно­си­тель­но интен­сив­ный эффект такой сте­пе­ни (сте­пе­ни появ­ле­ния сги­ба «J»), после кото­рой уве­ли­че­ние интен­сив­но­сти при­чи­ны про­из­во­дит толь­ко эффект с малой интен­сив­но­стью. Дру­гие мате­ри­а­лы, такие как рези­на, пока­зы­ва­ют S‑образную кри­вую, озна­ча­ю­щую более слож­ное отно­ше­ние меж­ду интен­сив­но­стя­ми. Если мы попро­бу­ем дефор­ми­ро­вать авто­мо­биль­ную шину, зна­чи­тель­ное уси­лие пона­ча­лу не даст почти ника­ко­го эффек­та. Тем не менее при уве­ли­че­нии интен­сив­но­сти рези­но­вое изде­лие в опре­де­лен­ный начи­на­ет рас­тя­ги­вать­ся, но толь­ко до вто­рой точ­ки (вто­рая арка фигу­ры «S»), где сно­ва пере­ста­ет реа­ги­ро­вать на нагруз­ку. Посто­ян­ная конъ­юнк­ция в отно­ше­нии интен­сив­но­сти не демон­стри­ру­ет­ся ни в одном из двух при­ве­ден­ных примеров.

Вто­рой вызов линей­но­сти свя­зан с тем, что раз­ные при­чи­ны неред­ко дей­ству­ют вме­сте и могут мешать друг дру­гу. В неко­то­рых слу­ча­ях такое вза­и­мо­дей­ствие может при­во­дить к отмене эффек­та, кото­рый «дол­жен» воз­ник­нуть. Но даже если столк­но­ве­ние не столь зна­чи­тель­но, веро­ят­ность воз­ник­но­ве­ния эффек­та все рав­но может сни­зить­ся до менее чем 100%. Дру­ги­ми сло­ва­ми, при­чин­ность ста­но­вит­ся ста­ти­сти­че­ской, как если бы кто-то ска­зал: «куре­ние вызы­ва­ет рак у 70% куриль­щи­ков». В ста­ти­сти­че­ской при­чин­но­сти одно собы­тие про­сто при­во­дит к уве­ли­че­нию веро­ят­но­сти воз­ник­но­ве­ния дру­го­го. В слу­чае с раком собы­тия явля­ют­ся внут­рен­ни­ми для чело­ве­ка (мож­но при­ве­сти в при­мер свя­зан­ные с гене­ти­че­ски­ми пред­рас­по­ло­жен­но­стя­ми собы­тия мета­бо­лиз­ма, кото­рые стал­ки­ва­ют­ся с основ­ной при­чи­ной). Похо­жим обра­зом про­ис­хо­дит дефор­ма­ция мате­ри­а­лов — ее нель­зя назвать на 100% пред­ска­зу­е­мой по при­чине собы­тий, свя­зан­ных с их внут­рен­ней мик­ро­струк­ту­рой. Эти собы­тия вклю­ча­ют рас­тво­рен­ные газы, вкрап­ле­ния неме­тал­ли­че­ских эле­мен­тов, вари­а­ции хими­че­ско­го соста­ва и даже осо­бен­но­сти про­из­вод­ства (напри­мер, осо­бен­но­сти фор­мов­ки). Все это дела­ет мате­ри­а­лы неизо­троп­ны­ми, то есть, они, ско­рее все­го, не будут иметь оди­на­ко­вые свой­ства во всех направ­ле­ни­ях. В таких усло­ви­ях наблю­де­ние посто­ян­ной конъ­юнк­ции при­чи­ны и след­ствия ста­но­вит­ся невоз­мож­ным. Так, про­из­во­ди­те­лям мате­ри­а­лов при­хо­дит­ся обес­пе­чи­вать кон­троль каче­ства ста­ти­сти­че­ским мето­дом. Это под­ра­зу­ме­ва­ет тести­ро­ва­ние целых попу­ля­ций образ­цов, что­бы добить­ся сред­ней веро­ят­но­сти того, что слу­чит­ся опре­де­лен­ное собы­тие дефор­ма­ции. Про­ек­ти­ров­щи­кам (Designers) несу­щих кон­струк­ций же необ­хо­ди­мо учи­ты­вать не толь­ко силу нагруз­ки, но и ее направ­ле­ние, посколь­ку мате­ри­а­лы могут вести себя по-раз­но­му в зави­си­мо­сти от век­то­ра при­ло­жен­ных к ним сил.

Нели­ней­ная и ста­ти­сти­че­ская при­чин­ность сно­ва при­вно­сят в фило­соф­скую кон­цеп­цию кау­заль­ной свя­зи слож­ность, кото­рая была поте­ря­на с появ­ле­ни­ем поня­тия посто­ян­ной конъ­юнк­ции. Допол­ни­тель­ная слож­ность может воз­ник­нуть при ана­ли­зе ката­ли­за­то­ров и воз­ник­но­ве­нии экс­тре­маль­ной фор­мы нели­ней­ной при­чин­но­сти, в кото­рой внеш­няя при­чи­на порож­да­ет собы­тие, чья роль заклю­ча­ет­ся лишь в запус­ке целой после­до­ва­тель­но­сти даль­ней­ших собы­тий. Повтор­ное обо­га­ще­ние кау­заль­ных свя­зей и поз­во­ля­ет с их помо­щью луч­ше объ­яс­нить слож­ное пове­де­ние мате­ри­а­лов, но в то же вре­мя воз­рож­де­ние их объ­ек­тив­но­сти повле­чет за собой серьез­ные фило­соф­ские послед­ствия — мате­ри­аль­ные собы­тия, порож­да­ю­щие дру­гие мате­ри­аль­ные собы­тия в виде более слож­ных серий собы­тий, при этом совсем не важ­но, смо­гут ли люди наблю­дать их.

#7 Материальная выразительность

Хоро­шо извест­но, что луч бело­го све­та состо­ит из ком­по­нен­тов мно­же­ства чистых цве­тов или длин волн. К тому же, раз­ные цве­то­вые ком­по­нен­ты, подоб­но тонам музы­каль­ных зву­ков, име­ют свой соб­ствен­ный темп виб­ра­ции — часто­ту. Бла­го­да­ря этим двум харак­те­ри­сти­кам свет и звук могут ока­зы­вать раз­ли­чи­мые эффек­ты на мозг живот­ных и чело­ве­ка — эффек­ты, кото­рые могут исполь­зо­вать­ся в каче­стве выра­зи­тель­ных средств людь­ми-арти­ста­ми и живот­ны­ми, име­ю­щи­ми свою тер­ри­то­рию. Одна­ко нерв­ная систе­ма не явля­ет­ся обя­за­тель­ной для исполь­зо­ва­ния цве­та и зву­ка в выра­зи­тель­ных целях. Со све­том или дру­ги­ми фор­ма­ми элек­тро­маг­нит­ной энер­гии могут вза­и­мо­дей­ство­вать даже мель­чай­шие ато­мы. Для это­го они исполь­зу­ют сред­ства, кото­рые явно выра­жа­ют их сущ­ность. Так, ато­мы газа, будучи энер­ге­ти­че­ски воз­буж­ден­ны­ми, испус­ка­ют яркие парал­лель­ные линии све­та, при­чем каж­дая линия соот­вет­ству­ет одной часто­те и пози­ци­о­ни­ру­ет­ся отно­си­тель­но дру­гой в зави­си­мо­сти от дли­ны вол­ны. Каж­дая атом­ная части­ца, в том чис­ле водо­род, кис­ло­род, угле­род и пр., име­ет харак­тер­ный пат­терн линий — свое­об­раз­ный «отпе­ча­ток». Подоб­но насто­я­щим отпе­чат­кам паль­цев, кото­рые могут помочь при уста­нов­ле­нии лич­но­сти чело­ве­ка, эти пат­тер­ны линий исполь­зу­ют­ся спек­тро­ско­пи­ста­ми для опре­де­ле­ния хими­че­ской при­над­леж­но­сти опре­де­лен­но­го мате­ри­а­ла. Спек­тро­ско­пия заро­ди­лась в XIX веке и с тех пор зна­чи­тель­но услож­ни­лась — в ее арсе­на­ле появи­лось мно­же­ство мето­дов и устройств для извле­че­ния отпе­чат­ков мате­ри­а­лов, но в конеч­ном ито­ге эта нау­ка зави­сит от спо­соб­но­стей ато­мов само­сто­я­тель­но про­из­во­дить выра­зи­тель­ные пат­тер­ны посред­ством излу­че­ния, погло­ще­ния и дру­гих процессов.

Уче­ные назы­ва­ют эти выра­зи­тель­ные пат­тер­ны «инфор­ма­ци­ей». Этот тер­мин отно­сит­ся не к семан­ти­че­ской инфор­ма­ции, кото­рую мож­но извлечь, напри­мер, из газет, но к линг­ви­сти­че­ски бес­смыс­лен­ным физи­че­ским пат­тер­нам. Физи­че­ская инфор­ма­ция не име­ет ниче­го обще­го с семан­ти­че­ским содер­жа­ни­ем; это под­твер­жда­ет­ся тем обсто­я­тель­ством, что инфор­ма­ци­он­ная тео­рия была раз­ра­бо­та­на во вре­мя Вто­рой миро­вой вой­ны, что­бы решить про­бле­мы с пере­да­чей зашиф­ро­ван­ных воен­ных сооб­ще­ний — т. е. сооб­ще­ний со скры­той линг­ви­сти­че­ской фор­мой и содер­жа­ни­ем. Физи­че­ская инфор­ма­ция про­пи­ты­ва­ет собой наш мир, и бла­го­да­ря ее посто­ян­но­му про­из­вод­ству мож­но утвер­ждать, что мате­рия выра­жа­ет себя. Мате­ри­аль­ная выра­зи­тель­ность, в свою оче­редь, пере­сек­ла важ­ную чер­ту: она пере­ста­ла быть про­стым отпе­чат­ком и обре­ла функ­ци­о­наль­ные воз­мож­но­сти в виде гене­ти­че­ско­го кода. Груп­пы трех нук­лео­ти­дов — хими­че­ских ком­по­нен­тов генов — ста­ли соот­но­сить­ся в какой-то сте­пе­ни уни­каль­ным обра­зом с одной ами­но­кис­ло­той, т. е. состав­ной частью бел­ков. Бла­го­да­ря это­му соот­но­ся­щи­е­ся гены могут выра­жать себя через про­те­и­ны, для кото­рых выпол­ня­ет­ся коди­ро­ва­ние. Из это­го сле­ду­ет, что выра­же­ние теперь озна­ча­ет не про­сто про­из­вод­ство инфор­ма­ции, но так­же ее актив­ное хра­не­ние и пере­ра­бот­ку. А это зна­чит сле­ду­ю­щее: когда попу­ля­ции спо­соб­ных хра­нить инфор­ма­цию моле­кул вос­про­из­во­дят себя и когда это вос­про­из­вод­ство направ­ле­но в ту или иную сто­ро­ну бла­го­да­ря вза­и­мо­дей­ствию бел­ков друг с дру­гом и окру­же­ни­ем, выра­зи­тель­ные воз­мож­но­сти мате­ри­аль­ных сущ­но­стей могут раз­вить­ся и рас­ши­рить­ся с помо­щью мно­же­ства прин­ци­пи­аль­но новых мето­дов. Подоб­но ато­мам, живые орга­низ­мы могут выра­жать свою сущ­ность излу­че­ни­ем пат­тер­нов, в том чис­ле хими­че­ских. Одна­ко живые орга­низ­мы отли­ча­ют­ся от ато­мов: это выра­же­ние име­ет функ­ци­о­наль­ные послед­ствия, посколь­ку допус­ка­ет рас­по­зна­ва­ние при­над­леж­но­сти орга­низ­ма пред­ста­ви­те­ля­ми того же вида. Такое рас­по­зна­ва­ние игра­ет клю­че­вую роль в гене­ти­че­ском воспроизводстве.

Дру­гую важ­ную чер­ту в исто­рии мате­ри­аль­ной выра­зи­тель­но­сти уда­лось пре­одо­леть, когда появи­лись име­ю­щие свою тер­ри­то­рию живот­ные. Это повлек­ло за собой ради­каль­ную транс­фор­ма­цию, кото­рую мож­но нагляд­но про­ил­лю­стри­ро­вать на при­ме­ре пре­об­ра­зо­ва­ния мочи и кала из побоч­ных про­дук­тов цепей пита­ния в тер­ри­то­ри­аль­ные мар­ке­ры. Такие мар­ке­ры не толь­ко выра­жа­ют видо­вую при­над­леж­ность, но так­же обо­зна­ча­ют обла­да­ние отдель­но­го орга­низ­ма ресур­са­ми. Звук, цвет и пове­ден­че­ские сред­ства, в том чис­ле поза, дви­же­ние, ритм и силу­эт — все это при­ме­ры выра­зи­тель­ных тер­ри­то­ри­аль­ных мар­ке­ров, кото­рые исполь­зу­ют­ся во вре­мя сорев­но­ва­ний меж­ду сам­ца­ми или в риту­а­лах уха­жи­ва­ния за сам­ка­ми. Осо­бен­но инте­рес­но здесь будет упо­мя­нуть шалаш­ни­ков. Тер­мин «шалаш» озна­ча­ет при­ят­ное тени­стое место под дере­вом, одна­ко для этих птиц под ним под­ра­зу­ме­ва­ет­ся сце­на или аре­на, постро­ен­ная пти­цей, что­бы выстав­лять себя на показ. Шалаш­ни­ки не про­сто очи­ща­ют неболь­шой уча­сток зем­ли от листьев и дру­го­го сора — они соору­жа­ют слож­ные построй­ки из листьев, трост­ни­ка и веток, при­чем архи­тек­ту­ра таких стро­е­ний может отли­чать­ся в зави­си­мо­сти от вида пти­цы. Шалаш­ни­ки вклю­ча­ют 18 видов — неко­то­рые отли­ча­ют­ся яркой рас­цвет­кой, напри­мер сам­цы атлас­ных шалаш­ни­ков с насы­щен­ным синим опе­ре­ни­ем, в то вре­мя как дру­гие утра­ти­ли цвет, но вос­пол­ни­ли поте­рю рядом цвет­ных укра­ше­ний. Бес­спор­но, суще­ству­ет силь­ная обрат­ная кор­ре­ля­ция меж­ду телом пти­цы и слож­но­стью ее шала­ша (это заме­тил еще Дар­вин): чем мень­ше у нее врож­ден­ных выра­зи­тель­ных ресур­сов, тем луч­ше раз­ви­ты архи­тек­тор­ские навы­ки. Мате­ри­аль­ная выра­зи­тель­ность как буд­то мигри­ру­ет с тела пти­цы на ее построй­ки и украшения.

Дар­вин так­же заме­тил обрат­ную кор­ре­ля­цию меж­ду слож­но­стью орна­мен­ти­ров­ки на теле пти­цы и слож­но­стью ее песен. Он верил, что пти­цы — это самые эсте­тич­ные из всех живот­ных. Посколь­ку струк­ту­ра пес­ни пти­цы насле­ду­ет­ся лишь частич­но (пти­цы долж­ны научить­ся петь) и спо­соб­ность к при­вле­че­нию самок частич­но зави­сит от раз­но­об­ра­зия музы­каль­но­го репер­ту­а­ра сам­ца, каж­дой отдель­ной пти­це необ­хо­ди­мо созда­вать новые ком­би­на­ции музы­каль­ных моти­вов, что­бы выде­лить себя на фоне дру­гих пред­ста­ви­те­лей вида. Если отпе­чат­ки мож­но назвать мар­ке­ра­ми или под­пи­ся­ми с воз­ник­но­ве­ни­ем тер­ри­то­ри­аль­ной при­над­леж­но­сти, то в песне пти­цы под­пи­сью ста­но­вит­ся инди­ви­ду­аль­ный стиль. Более того, вели­кий ком­по­зи­тор XX века Оли­вье Мес­си­ан, часть ком­по­зи­ций кото­ро­го вдох­нов­ле­ны пени­ем птиц, даже назы­вал чер­ных дроз­дов, соло­вьев и дру­гих птиц с соб­ствен­ным сти­лем «музы­кан­та­ми». Таким обра­зом, исто­рию мате­ри­аль­ной выра­зи­тель­но­сти мож­но выра­зить в после­до­ва­тель­но­сти «отпе­ча­ток — под­пись — стиль». Нако­нец, нам необ­хо­ди­мо доба­вить выра­зи­тель­ные воз­мож­но­сти, кото­рые поз­во­ля­ют объ­еди­нить мно­гих нече­ло­ве­че­ских музы­кан­тов. Эти воз­мож­но­сти хоро­шо иллю­стри­ру­ет так назы­ва­е­мый «утрен­ний хор» — собы­тие, кото­рое обыч­но про­ис­хо­дит вес­ной и вклю­ча­ет мно­же­ство видов птиц одно­вре­мен­но. Перед вос­хо­дом солн­ца один или несколь­ко чер­ных дроз­дов начи­на­ют хор, а затем к ним по нарас­та­ю­щей при­со­еди­ня­ют­ся дру­гие виды птиц (зарян­ка, пев­чий дрозд, кра­пив­ник, боль­шая сини­ца, зяб­лик). Это про­дол­жа­ет­ся до тех пор, пока сим­фо­ния зву­ка не достиг­нет пика к сере­дине утра.

Мате­рия выра­жа­ет себя раз­ны­ми спо­со­ба­ми, от про­сто­го излу­че­ния физи­че­ской инфор­ма­ции до осмот­ри­тель­но­го исполь­зо­ва­ния мело­дии и рит­ма. Все­лен­ная сама по себе может рас­смат­ри­вать­ся как вели­кая сим­фо­ния мате­ри­аль­ной выра­зи­тель­но­сти. Ран­ние люди, зачерп­нув­шие из резер­ву­а­ра выра­зи­тель­но­сти и взяв­шие наскаль­ную живо­пись, тату­и­ров­ки и риту­аль­ные цере­мо­нии, были дале­ко от изоб­ре­те­ния искус­ства. Они про­сто доба­ви­ли еще один голос к теку­ще­му мате­ри­аль­но­му хору.

#8 Умные материалы

При­выч­ные нам несу­щие кон­струк­ции, в том чис­ле из бето­на и стек­ла, ока­жут­ся более полез­ны­ми, если смо­гут актив­но гасить опас­ные виб­ра­ции или обна­ру­жи­вать и оста­нав­ли­вать про­цесс раз­ло­ма до того, как про­изой­дет рас­ши­ре­ние. Само­про­вер­ка и само­вос­ста­нов­ле­ние — это при­спо­соб­лен­че­ские спо­соб­но­сти, харак­тер­ные для мно­гих био­ло­ги­че­ских струк­тур. С уче­том это­го стран­но наблю­дать, что такие спо­соб­но­сти отсут­ству­ют в руко­твор­ных кон­струк­ци­ях. Что­бы испра­вить ситу­а­цию, про­во­дят­ся иссле­до­ва­ния умных мате­ри­а­лов. Но что дела­ет мате­ри­ал «умным»? Пер­вый ингре­ди­ент — это сен­со­ры. Так, встро­ен­ное в бетон опто­во­лок­но поз­во­ля­ет соби­рать инфор­ма­цию о рас­пре­де­ле­нии внеш­не­го дав­ле­ния в струк­тур­ных ком­по­нен­тах, посколь­ку с дав­ле­ни­ем в опто­во­локне меня­ет­ся рас­про­стра­не­ние све­та. Рас­пре­де­лен­ная сеть опто­во­ло­кон­ных сен­со­ров вме­сте с ком­пью­тер­ной вычис­ли­тель­ной мощ­но­стью может исполь­зо­вать эту инфор­ма­цию для наблю­де­ния за вос­ста­нов­ле­ни­ем и отсле­жи­вать струк­тур­ную целост­ность бетон­ных кон­струк­ций по мере изно­са. Сен­со­ры дру­го­го типа исполь­зу­ют пье­зо­элек­три­че­ские кри­стал­лы, гене­ри­ру­ю­щие раз­ни­цу элек­три­че­ских потен­ци­а­лов (напря­же­ние) при меха­ни­че­ской дефор­ма­ции. Посколь­ку дефор­ми­ру­ет­ся любой эле­мент, несу­щий нагруз­ку, встра­и­ва­ние таких кри­стал­лов в мате­ри­а­лы вро­де бето­на может гене­ри­ро­вать элек­три­че­ские сиг­на­лы с инфор­ма­ци­ей о целост­но­сти конструкции.

Тем не менее, сен­со­ры — лишь один из ком­по­нен­тов умных мате­ри­а­лов. Соглас­но поло­же­ни­ям кибер­не­ти­ки, реа­ли­за­ция кон­ту­ра управ­ле­ния с отри­ца­тель­ной обрат­ной свя­зью пред­по­ла­га­ет не толь­ко спо­соб­ность отсле­жи­вать усло­вия, но и воз­мож­ность кау­заль­но вме­ши­вать­ся в реаль­ность для изме­не­ния этих усло­вий. Так, тер­мо­ста­ты для регу­ли­ров­ки кон­ди­ци­о­не­ров и духо­вых шка­фов долж­ны иметь воз­мож­ность не толь­ко улав­ли­вать изме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры по отно­ше­нию к иско­мой, но так­же изме­нять эту тем­пе­ра­ту­ру, если она выхо­дит за нуж­ные гра­ни­цы вклю­че­ни­ем или выклю­че­ни­ем устрой­ства. Дру­ги­ми сло­ва­ми, тер­мо­стат (а так­же любой дру­гой сле­дя­щий меха­низм с отри­ца­тель­ной обрат­ной свя­зью) дол­жен обла­дать как сен­со­ра­ми, так и испол­ни­тель­ны­ми эле­мен­та­ми. В целом, таки­ми эле­мен­та­ми могут высту­пать пье­зо­элек­три­че­ские кри­стал­лы, посколь­ку они не толь­ко гене­ри­ру­ют напря­же­ние в ответ на дефор­ма­цию, но и выпол­ня­ют обрат­ную функ­цию в виде меха­ни­че­ской дефор­ма­ции в ответ на пода­ва­е­мое напря­же­ние. Про­бле­ма заклю­ча­ет­ся в том, что мас­штаб такой дефор­ма­ции бук­валь­но мик­ро­ско­пи­чен — ее не хва­тит для изме­не­ний фор­мы, кото­рые потре­бу­ют­ся струк­тур­но­му ком­по­нен­ту для актив­но­го про­ти­во­сто­я­ния рас­ту­ще­му рас­трес­ки­ва­нию. Для это­го мас­штаб дефор­ма­ции дол­жен исчис­лять­ся сан­ти­мет­ра­ми. К сча­стью, с такой зада­чей смо­жет пра­вить­ся новый класс мате­ри­а­лов — спла­вы с памя­тью формы.

Опре­де­лен­ные метал­ли­че­ские спла­вы, такие как спла­вы нике­ля и тита­на, демон­стри­ру­ют спо­соб­ность воз­вра­щать изна­чаль­ную фор­му после дефор­ма­ции. Несмот­ря на то, что эта необыч­ная спо­соб­ность была откры­та в 30‑х годах XX века, ее не изу­ча­ли серьез­но око­ло 30 лет. Сей­час мы зна­ем, что эффект памя­ти фор­мы пред­став­ля­ет собой нечто вро­де фазо­во­го пере­хо­да. Этот тер­мин обыч­но ассо­ци­и­ру­ет­ся с изме­не­ни­ем состо­я­ния (из газо­об­раз­но­го в жид­кое либо из жид­ко­го в твер­дое), кото­ро­му мате­ри­ал под­вер­га­ет­ся в резуль­та­те спон­тан­ной моле­ку­ляр­ной пере­ста­нов­ки по дости­же­нии кри­ти­че­ской точ­ки интен­сив­но­сти. Спла­вы с памя­тью фор­мы так­же под­вер­га­ют­ся моле­ку­ляр­ной пере­ста­нов­ке, но для них это про­те­ка­ет без поте­ри плот­но­сти. Фазо­вый пере­ход про­ис­хо­дит меж­ду дву­мя состо­я­ни­я­ми кри­стал­ли­че­ской струк­ту­ры — отно­си­тель­но мяг­ко­го и дефор­ми­ру­е­мо­го состо­я­ния (мар­тен­сит) и более плот­но­го состо­я­ния (аусте­нит). Раз­ни­ца меж­ду ними заклю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем: после­до­ва­тель­ные слои ато­мов в состо­я­нии мар­тен­си­та изме­ня­ют поло­же­ние так, что одна часть кри­стал­ла ста­но­вит­ся зер­каль­ным отра­же­ни­ем дру­го­го. Две части кри­стал­ла ста­но­вят­ся в неко­то­ром роде близ­не­ца­ми — отра­же­ни­ем друг дру­га. Поэто­му такой тип дефор­ма­ции назы­ва­ют двой­ни­ко­ва­ни­ем. Имен­но эти силь­но упо­ря­до­чен­ные внут­рен­ние дефор­ма­ции дают состо­я­нию мар­тен­си­та рас­тя­жи­мость, поз­во­ляя целым сло­ям ато­мов сколь­зить друг по другу.

Эффект памя­ти фор­мы мож­но опи­сать сле­ду­ю­щим обра­зом. Мате­ри­а­лу при отно­си­тель­но высо­кой тем­пе­ра­ту­ре при­да­ют твер­дую фор­му, вво­дя его в состо­я­ние аусте­ни­та. Эта фор­ма под­дер­жи­ва­ет­ся, когда мате­ри­ал осты­ва­ет и спон­тан­но пере­хо­дит в силь­но спле­тен­ное состо­я­ние мар­тен­си­та. Под нагруз­кой мате­ри­ал дефор­ми­ру­ет­ся (про­цесс раз­двой­ни­ко­ва­ния) и меня­ет фор­му. Если в этот момент мате­ри­ал нагреть, его тем­пе­ра­ту­ра повы­сит­ся и он спон­тан­но перей­дет в состо­я­ние аусте­ни­та. При этом будет вос­ста­нов­ле­на изна­чаль­ная ори­ен­та­ция кри­стал­лов — а вме­сте с ней и исход­ная фор­ма мате­ри­а­ла. Несмот­ря на то, что спла­вам нике­ля и тита­на мож­но при­дать самые раз­ные фор­мы, они до сих пор огра­ни­чи­ва­ют­ся фор­ма­ми с малым сече­ни­ем, таким как про­вод, труб­ка и плен­ка. Дру­ги­ми сло­ва­ми, ком­по­нен­ты несу­щих кон­струк­ций, напри­мер колон­ны и бал­ки, нель­зя выпол­нить из таких мате­ри­а­лов. Тем не менее, их необыч­ное тер­мо­ме­ха­ни­че­ское пове­де­ние может стать очень полез­ным при созда­нии испол­ни­тель­ных эле­мен­тов. Не сто­ит забы­вать и об их пове­де­нии в опи­сан­ном фазо­вом пере­хо­де (его назы­ва­ют псев­до­упру­го­стью), кото­рое вызы­ва­ет­ся нагруз­кой, а не температурой.

Так, в одной из пред­ло­жен­ных схем ком­по­нен­ты несу­щих кон­струк­ций сде­ла­ны из «умно­го арми­ро­ван­но­го бето­на» — это зна­чит, что обыч­ный бетон допол­нен пье­зо­ке­ра­ми­кой и спла­ва­ми с памя­тью фор­мы и таким обра­зом наде­лен спо­соб­но­стью к само­про­вер­ке и само­вос­ста­нов­ле­нию. Части пье­зо­элек­три­че­ско­го мате­ри­а­ла встро­е­ны в струк­ту­ру бето­на, что­бы обна­ру­жи­вать воз­ни­ка­ю­щие раз­ло­мы. Про­во­да из спла­ва с памя­тью фор­мы исполь­зу­ют­ся подоб­но сталь­ным для арми­ро­ва­ния бето­на по мето­ду после­ду­ю­ще­го натя­же­ния — т. е. натя­же­ния про­во­дов после залив­ки и затвер­де­ва­ния бето­на. Рас­про­стра­не­ние раз­ло­ма дефор­ми­ру­ет пье­зо­элек­три­че­ские сен­со­ры и про­во­да, дей­ству­ю­щие как испол­ни­тель­ные эле­мен­ты. Сен­со­ры дей­ству­ют в ответ: они созда­ют элек­три­че­ские сиг­на­лы, кото­рые ана­ли­зи­ру­ют­ся спе­ци­аль­ным про­грамм­ным обес­пе­че­ни­ем для отсле­жи­ва­ния целост­но­сти кон­струк­ции. Это ПО, в свою оче­редь, акти­ви­ру­ет меха­низм элек­три­че­ско­го нагре­ва про­во­дов, застав­ляя их при­ни­мать пер­во­на­чаль­ную фор­му и стя­ги­вать разлом.

Уста­ре­ва­ние граж­дан­ской инфра­струк­ту­ры заста­вит нас столк­нуть­ся со мно­же­ством вызо­вов. Одним из них ста­нет дости­же­ние луч­ше­го пони­ма­ния про­цес­сов ста­ре­ния и изно­са, в том чис­ле с помо­щью более эффек­тив­ных мате­ма­ти­че­ских моде­лей уста­ло­сти и кор­ро­зии метал­ла, а так­же луч­ших мето­дов тести­ро­ва­ния для симу­ля­ции изно­са в лабо­ра­тор­ных усло­ви­ях. Вызо­вом дру­го­го типа будет вдох­нуть в эту инфра­струк­ту­ру новую жизнь, внед­рив в ее кон­сти­ту­тив­ные мате­ри­а­лы нега­тив­ную обрат­ную связь, кото­рая уже пита­ет сле­дя­щие меха­низ­мы в дру­гих сфе­рах тех­ни­че­ско­го проектирования.

#13 Возможности и риски

Как живот­ные вос­при­ни­ма­ют мате­ри­аль­ное окру­же­ние? Этот вопрос тес­но свя­зан с дру­гим: какие воз­мож­но­сти для дей­ствий дает живот­но­му окру­же­ние? Ком­пле­мен­тар­ность этих двух вопро­сов ука­зы­ва­ет на сле­ду­ю­щий факт: когда речь захо­дит о вос­при­я­тии живот­ных, необ­хо­ди­мо учи­ты­вать вза­и­мо­дей­ствие орга­ни­че­ских тел и мате­ри­аль­ность их окру­же­ния. Так, загро­мож­ден­ная сре­да дает ходя­ще­му живот­но­му воз­мож­ность пере­дви­гать­ся толь­ко лишь в тех направ­ле­ни­ях, кото­рые име­ют отвер­стия или про­хо­ды, в то вре­мя как откры­тое и сво­бод­ное от пре­пят­ствий про­стран­ство поз­во­ля­ет пере­дви­гать­ся во всех направ­ле­ни­ях. Возь­мем дру­гой при­мер: край уте­са пред­став­ля­ет для живот­но­го риск паде­ния, а ост­рые края кам­ней вни­зу — риск раз­ры­ва пло­ти. В обо­их при­ме­рах было важ­но ука­зать, что рас­смат­ри­ва­е­мое живот­ное ходит, посколь­ку пол­ное пре­пят­ствий про­стран­ство или край уте­са не будут таким же обра­зом стес­нять лета­ю­щее живот­ное. Эти воз­мож­но­сти и рис­ки пока­жут­ся важ­ны­ми лишь для живот­но­го, не обла­да­ю­ще­го воз­мож­но­стью поле­та. Кро­ме того, их акту­аль­ность для дан­но­го живот­но­го обу­слов­ле­на тем, как они при­спо­саб­ли­ва­ют пове­де­ние: живот­ное дви­га­ет­ся так, что­бы избе­жать столк­но­ве­ний, либо дер­жит­ся на без­опас­ной дистан­ции от края.

Мы можем ска­зать, что живот­ное вос­при­ни­ма­ет не свой­ства сво­е­го мате­ри­аль­но­го окру­же­ния, но потен­ци­ал для дей­ствий, кото­рым эти свой­ства снаб­жа­ют суще­ство: кло­чок зем­ли вос­при­ни­ма­ет­ся не как гори­зон­таль­ный, плос­кий или твер­дый, но как даю­щий воз­мож­ность ходить. На кон­цеп­ту­аль­ном уровне нуж­ное нам раз­ли­чие кро­ет­ся в срав­не­нии свойств объ­ек­та и его спо­соб­но­стей: нож может обла­дать свой­ством остро­ты, и это может дать ему спо­соб­ность резать, но послед­нее мож­но осу­ще­ствить толь­ко по отно­ше­нию к дру­го­му объ­ек­ту, обла­да­ю­ще­му спо­соб­но­стью быть раз­ре­зан­ным. Дру­ги­ми сло­ва­ми, свой­ства могут при­сут­ство­вать или отсут­ство­вать у объ­ек­та, в то вре­мя как спо­соб­но­сти отно­си­тель­ны: спо­соб­ность вли­ять все­гда идет рука об руку со спо­соб­но­стью испы­ты­вать вли­я­ние. Вот поче­му кон­крет­ное рас­пре­де­ле­ние воз­мож­но­стей и рис­ков зави­сит как от мате­ри­аль­но­сти окру­же­ния, так и от пове­ден­че­ских спо­соб­но­стей живот­но­го. Обра­тит ли живот­ное вни­ма­ние на дан­ную чер­ту окру­жа­ю­щей сре­ды, то есть посчи­та­ет ли оно эту чер­ту окру­жа­ю­щей сре­ды достой­ным вни­ма­ния, будет зави­сеть как от его соб­ствен­ных спо­соб­но­стей, так и от объ­ек­тив­ных свойств этой черты.

Неко­то­рое окру­же­ние содер­жит раз­но­об­раз­ные мате­ри­аль­ные ком­по­нен­ты в раз­лич­ных состо­я­ни­ях: газо­об­раз­ном, жид­ком и твер­дом. Ком­по­нен­ты пер­вых двух типов обыч­но пред­ла­га­ют живот­но­му сре­ду, через кото­рую мож­но про­хо­дить, летать или пла­вать. Воз­дух и вода так­же явля­ют­ся сре­да­ми, пере­да­ю­щи­ми сиг­на­лы: они про­пус­ка­ют свет, пере­но­сят хими­че­ские соеди­не­ния и обра­зу­ют вол­ны. Это снаб­жа­ет живот­ное инфор­ма­ци­ей о его окру­же­нии, но толь­ко в том слу­чае, если у живот­но­го раз­ви­та спо­соб­ность вос­при­ни­мать эти сиг­на­лы, т. е. спо­соб­ность видеть, обо­нять или слы­шать. Твер­дые объ­ек­ты, с дру­гой сто­ро­ны, предо­став­ля­ют живот­но­му непро­зрач­ные поверх­но­сти, одна­ко имен­но от этих поверх­но­стей отра­жа­ет­ся свет, они выде­ля­ют хими­че­ские соеди­не­ния и пере­да­ют виб­ра­ции окру­жа­ю­щей сре­де. Дру­ги­ми сло­ва­ми, живот­ные по боль­шей части вос­при­ни­ма­ют поверх­но­сти. К тому же, чаще все­го имен­но рас­по­ло­же­ние таких поверх­но­стей снаб­жа­ет живот­ных воз­мож­но­стя­ми и рис­ка­ми. Возь­мем пока­за­тель­ный при­мер. Углуб­ле­ния спо­соб­ны слу­жить убе­жи­щем: рас­по­ло­же­ние направ­лен­ных вовнутрь твер­дых поверх­но­стей, таких как дыра в ска­ле, дает живот­но­му укры­тие, что­бы спря­тать­ся от хищ­ни­ка либо скрыть свое при­сут­ствие от ниче­го не подо­зре­ва­ю­щей жерт­вы. Одна­ко сле­ду­ет отме­тить, что углуб­ле­ние ста­но­вит­ся убе­жи­щем и вос­при­ни­ма­ет­ся тако­вым не толь­ко вви­ду физи­че­ской фор­мы и спо­соб­но­сти про­ти­во­сто­ять про­ник­но­ве­нию, но так­же отто­го, что ста­но­вит­ся участ­ни­ком дра­мы меж­ду хищ­ни­ком и жерт­вой. Гово­ря ина­че, рас­по­ло­же­ния поверх­но­стей ста­но­вят­ся для них важ­ны­ми вос­при­ни­ма­е­мы­ми сущ­но­стя­ми толь­ко по той при­чине, что живот­ные снаб­жа­ют друг дру­га воз­мож­но­стя­ми и рис­ка­ми — хищ­ник снаб­жа­ет опас­но­стью жерт­ву, в то вре­мя как жерт­ва снаб­жа­ет про­пи­та­ни­ем хищника.

Мно­гие живот­ные так­же спо­соб­ны мани­пу­ли­ро­вать рас­по­ло­же­ни­ем поверх­но­стей, под­стра­и­вая рас­пре­де­ле­ние воз­мож­но­стей и рис­ков в свою поль­зу. При­ме­ров это­му мно­же­ство: сети пау­ков, мура­вей­ни­ки, тер­мит­ни­ки, норы гры­зу­нов, гнез­да птиц, дам­бы боб­ров. Созда­ние этих новых рас­по­ло­же­ний вклю­ча­ет раз­но­об­раз­ные дей­ствия, от копа­ния и выре­за­ния до нагро­мож­де­ния, скле­и­ва­ния, леп­ки, ска­ты­ва­ния, сги­ба­ния и даже тка­че­ства и шитья. Исполь­зу­е­мые мате­ри­а­лы могут быть про­из­ве­де­ны самим живот­ным, напри­мер пау­ти­на или пче­ли­ный воск, или собра­ны вокруг, как дре­вес­ная пуль­па, исполь­зу­е­мая в оси­ных гнез­дах, или тра­ва и вет­ки для пти­чьих гнезд. Бла­го­да­ря про­цес­су эво­лю­ции, свя­зав­ше­му дей­ствия тел живот­ных со свой­ства­ми мате­ри­а­лов, полу­ча­е­мые рас­по­ло­же­ния поверх­но­стей демон­стри­ру­ют пра­виль­ные спо­соб­но­сти: пау­ти­на может пога­сить кине­ти­че­скую энер­гию лета­ю­щей жерт­вы, затем при­кле­ить добы­чу и удер­жать ее; вет­ки и пова­лен­ные дере­вья в дам­бах боб­ров не толь­ко спо­соб­ны пре­гра­дить путь тече­нию воды и создать глу­бо­кие пру­ды, но и фор­ми­ру­ют воз­душ­ные отвер­стия для вен­ти­ля­ции и кон­тро­ля за внут­рен­ним кли­ма­том; под­зем­ная архи­тек­ту­ра мура­вей­ни­ков име­ет пра­виль­ную связь меж­ду вер­ти­каль­ны­ми или наклон­ны­ми шах­та­ми и гори­зон­таль­ны­ми каме­ра­ми, за счет кото­рой муравьи могут пере­дви­гать­ся, скла­ди­ро­вать ресур­сы и защищаться.

Эти искус­ствен­ные рас­по­ло­же­ния состав­ля­ют часть дина­ми­ки «хищ­ник-жерт­ва» и могут высту­пать в роли лову­шек или убе­жищ, но при этом они так­же могут участ­во­вать в про­цес­се сотруд­ни­че­ства и обще­ния живот­ных. Так, когда насе­ко­мые стро­ят гнез­до, они обща­ют­ся друг с дру­гом через изме­не­ния, кото­рые дела­ют в окру­же­нии. Физи­че­ская дефор­ма­ция спо­соб­на вли­ять на живот­ных наравне с про­пит­кой гор­мо­на­ми — их пове­де­ние ста­но­вит­ся коор­ди­ни­ро­ван­ным, когда они изме­ня­ют то, как твер­дые поверх­но­сти вокруг вли­я­ют на них и как под­вер­га­ют их вли­я­нию. Это непря­мое обще­ние назы­ва­ет­ся «стиг­мер­ги­ей» — с его помо­щью насе­ко­мые могут стро­ить гнез­да, не имея при этом обра­за тако­го гнез­да в созна­нии. Созда­те­ли робо­тов — осо­бен­но в сфе­ре пове­ден­че­ской робо­то­тех­ни­ки — изу­ча­ют то, как живот­ные исполь­зу­ют сде­лан­ные ими изме­не­ния в окру­же­нии для хра­не­ния инфор­ма­ции. При этом они гово­рят при­мер­но сле­ду­ю­щее: зачем делать робо­тов, спо­соб­ных созда­вать внут­рен­ние моде­ли мира, если мир сам себе явля­ет­ся сво­ей луч­шей моделью?