Ons leer uit ontwerpe in die natuur

“Baie van ons beste uitvindings is nabootsings van ander lewende organismes of word alreeds deur hulle gebruik.”—Phil Gates, Wild Technology.

SOOS in die vorige artikel genoem is, is dit die doel van die wetenskap van biomimetika om ingewikkelder vorme van materie en masjiene te maak deur die natuur na te boots. Die natuur maak sy eie produkte sonder om besoedeling te veroorsaak, en die produkte is gewoonlik veerkragtig en lig en tog ongelooflik sterk.

Gram vir gram is been byvoorbeeld sterker as staal. Wat is die geheim daarvan? ’n Deel van die antwoord lê in die goed ontwerpte vorm daarvan, maar die hoofredes lê dieper—op molekulêre vlak. “Die sukses van lewende organismes lê opgesluit in die ontwerp en samestelling van hulle kleinste komponente”, verduidelik Gates. Omdat wetenskaplikes hierdie kleinste komponente bestudeer het, het hulle vasgestel wat die bestanddele is wat aan natuurlike produkte, van been tot sy, hulle benydenswaardige sterkte en ligte gewig verleen. Hulle het uitgevind dat hierdie bestanddele verskillende vorme van natuurlike verbindings is.

Die wonder van verbindings

Verbindings is vaste stowwe wat gevorm word wanneer twee of meer stowwe saamsmelt om ’n nuwe stof te vorm waarvan die eienskappe baie beter is as dié van die oorspronklike bestanddele. Dit kan toegelig word deur die sintetiese verbinding veselglas, wat gewoonlik gebruik word in die rompe van bote, visstokke, boë, pyle en ander sporttoerusting. * Veselglas word gemaak deur fyn glasvesels te laat stol in ’n vloeistof- of jellieagtige bindmiddel van plastiek (wat ’n polimeer genoem word). Wanneer die polimeer hard word, oftewel stol, is die eindresultaat ’n verbinding wat lig, sterk en buigbaar is. As die soort vesels en die bindmiddel afgewissel word, kan ’n ontsaglike groot verskeidenheid produkte gemaak word. Mensgemaakte verbindings is natuurlik nog steeds primitief in vergelyking met dié wat van nature in mense, diere en plante voorkom.

Pleks van glas- of koolstofvesels vorm ’n veselagtige proteïen, kollageen, die basis  van verbindings in mense en diere wat die vel, ingewande, kraakbeen, senings, bene en tande (buiten die emalje) sterk maak. * Een naslaanwerk beskryf verbindings met kollageen as basis as “van die mees gevorderde struktureel saamgestelde materiale wat bekend is”.

Kyk byvoorbeeld na senings, wat spiere aan been heg. Senings is merkwaardig, nie net weens die taaiheid van hulle kollageenvesels nie, maar ook weens die meesterlike manier waarop hierdie vesels inmekaar geweef is. Janine Benyus skryf in haar boek Biomimicry dat ’n uitgerafelde sening “se veelvlakkige presisie byna ongelooflik is. Die sening in jou voorarm is ’n gevlegte bondel kabels, soos die kabels wat in ’n hangbrug gebruik word. Elke individuele kabel is op sigself ’n gevlegte bondel dunner kabels. Elkeen van hierdie dunner kabels is op sigself ’n gevlegte bondel molekules, wat vanselfsprekend gevlegte, spiraalvormige bondels atome is. Keer op keer word wiskundige prag geopenbaar.” Dit is, sê sy, “uitmuntende ingenieurswese”. Is dit  enigsins verbasend dat wetenskaplikes sê dat hulle deur die natuur se ontwerpe geïnspireer word?—Vergelyk Job 40:15, 17, NW.

Soos vroeër genoem is, kan mensgemaakte verbindings nie met dié in die natuur vergelyk word nie. Sintetiese stowwe is nietemin merkwaardige produkte. Trouens, hulle word onder die tien uitsonderlikste ingenieursprestasies van die afgelope 25 jaar gereken. Verbindings wat op grafiet- of koolstofvesels gebaseer is, het byvoorbeeld gelei tot nuwe ontwikkelinge in vliegtuig- en ruimtetuigonderdele, sporttoerusting, Formule Een-renmotors, seiljagte en ligte kunsledemate—om maar net ’n paar items te noem op ’n lys wat vinnig al hoe langer word.

Meerdoelige, wonderlike spek

Walvisse en dolfyne is nie daarvan bewus nie, maar hulle liggame word omhul deur ’n wonderweefsel—spek. “Walvisspek is moontlik die meerdoeligste materiaal waarvan ons weet”, sê die boek Biomimetics: Design and Processing of Materials. Dit verduidelik waarom en voeg by dat spek ’n wonderlike dryfmiddel is en die walvis sodoende help om na die oppervlak te kom vir lug. Dit voorsien hierdie warmbloedige soogdiere van uitstekende isolasie teen die koue seewater. En dit is ook die beste voedselreserwe denkbaar gedurende migrasie oor duisende kilometers wanneer hulle nie eet nie. Trouens, vet lewer tussen twee en drie keer soveel energie as gelyke hoeveelhede proteïen en suiker.

“Spek is ook ’n baie veerkragtige, rubberagtige stof”, volgens die bogenoemde boek. “Tans is ons beste skatting dat die elastiese terugslag van spek wat met elke stertslag saamgepers en uitgestrek word ’n versnelling kan veroorsaak wat tot 20% energie kan bespaar wanneer hulle vir lang tye aaneen swem.”

Walvisse word al eeue lank vir hulle spek gejag, maar dit het eers onlangs aan die lig gekom dat ongeveer die helfte van die volume van spek uit ’n ingewikkelde netwerk kollageenvesels bestaan wat elke dier omhul. Hoewel wetenskaplikes nog steeds probeer vasstel presies hoe hierdie vetverbinding werk, meen hulle dat hulle nóg ’n wonderproduk ontdek het wat talle nuttige gebruike sou hê as dit sinteties vervaardig word.

’n Ingenieurswonder met agt bene

In onlangse jare het wetenskaplikes ook die spinnekop baie goed bestudeer. Hulle wil baie graag uitvind hoe spinnekoppe hulle sy maak, wat ook ’n verbinding is. ’n Groot verskeidenheid insekte vervaardig weliswaar sy, maar spinnekopsy is buitengewoon. Dit is een van die sterkste materiale op aarde, “die materiaal waarvan net gedroom word”, het een wetenskapskrywer gesê. Spinnekopsy is so uitsonderlik dat ’n lys van die verbasende eienskappe daarvan ongelooflik sou lyk.

Waarom gebruik wetenskaplikes die oortreffende trap wanneer hulle spinnekopsy beskryf? Behalwe dat dit vyf keer sterker as staal is, is dit ook baie  elasties—’n ongewone kombinasie in materiale. Spinnekopsy rek 30 persent verder as die mees elastiese nylon. En tog wip dit nie soos ’n trampolien en gooi die spinnekop se maaltyd in die lug nie. “Op menslike skaal”, sê Science News, “sal ’n web wat soos ’n visnet lyk ’n passasiersvliegtuig kan vang.”

As ons die spinnekop se chemiese kuns kon naboots—twee spesies maak selfs sewe soorte sy—dink net hoe dit gebruik kon word! In sitplekgordels wat geweldig verbeter is sowel as in hegdraad, kunsligamente, ligte toue en kabels en koeëlvaste materiale, om maar net ’n paar moontlikhede te noem. Wetenskaplikes probeer ook uitvind hoe die spinnekop so doeltreffend sy kan maak—en dít sonder die gebruik van giftige chemikalieë.

Die natuur se ratkaste en straalmotore

Ratkaste en straalmotore hou vandag die wêreld aan die gang. Maar het jy geweet dat die natuur ook hierdie ontwerpe voor ons gehad het? Neem byvoorbeeld die ratkas. Ratkaste maak dit vir jou moontlik om jou motor se ratte te wissel sodat jy die enjin die doeltreffendste gebruik. Die natuur se ratkas doen dieselfde, maar dit koppel nie ’n enjin aan wiele nie. Dit koppel eerder vlerke aan vlerke! En waar kan dit gevind word? In die gewone vlieg. Die vlieg het ’n driespoedratwisselaar wat aan sy vlerke gekoppel is en hom in staat stel om ratte te wissel terwyl hy vlieg!

Die pylinkvis, die seekat en die seilslak het almal ’n vorm van straalaandrywing wat hulle deur die water  laat voortbeweeg. Wetenskaplikes beny hierdie stralers. Waarom? Omdat hulle uit sagte dele bestaan wat nie kan breek nie, wat groot dieptes kan weerstaan en wat stil en doeltreffend werk. Trouens, ’n pylinkvis kan ’n spoed van 32 kilometer per uur bereik wanneer hy van roofvisse wegvlug, “en soms spring hy selfs uit die water tot op ’n skip se dek”, sê die boek Wild Technology.

Ja, dit kan ons met ontsag en waardering vervul as ons net ’n paar oomblikke oor die sigbare wêreld nadink. Die natuur is waarlik ’n lewende raaisel wat aanleiding gee tot die een vraag na die ander: Watter chemiese wonders steek die helder, koue liggie in vuurvliegies en sekere alge aan? Hoe word verskeie visse en paddas in die Noordpoolstreek weer bedrywig wanneer hulle ontdooi nadat hulle gedurende die winter kliphard gevries was? Hoe bly walvisse en robbe lank onder water sonder asemhalingstoerusting? En hoe kry hulle dit reg om herhaaldelik diep af te duik sonder om dekompressiesiekte, wat algemeen bekend is as borrelsiekte, te kry? Hoe verander verkleurmannetjies en inkvisse van kleur om met hulle omgewing saam te smelt? Hoe is dit vir kolibries moontlik om die Golf van Mexiko oor te steek en minder as drie gram van hulle liggaamsgewig te verbrand? Die lys vrae lyk nimmereindigend.

Die mens kan waarlik net kyk en hom verwonder. Wetenskaplikes word met ontsag vervul wat “grens aan verering” wanneer hulle die natuur bestudeer, sê die boek Biomimicry.

Agter die ontwerp—’n Ontwerper!

Die adjunkprofessor in biochemie Michael Behe het gesê dat een resultaat  van onlangse ontdekkings in die lewende sel “’n luide, helder, deurdringende uitroep van ‘ontwerp!’ is”. Hy het bygevoeg dat hierdie resultaat van pogings om die sel te bestudeer “so duidelik en so betekenisvol is dat dit as een van die grootste prestasies in die geskiedenis van die wetenskap beskou moet word”.

Dit is te verstane dat bewyse van ’n Ontwerper probleme skep vir diegene wat die evolusieteorie voorstaan, want evolusie kan nie die gesofistikeerde ontwerp van lewende wesens verklaar nie, veral nie op sellulêre en molekulêre vlak nie. “Daar is dwingende redes”, sê Behe, “om te dink dat ’n Darwinistiese verduideliking vir die meganismes van lewe nooit voldoende sal wees nie.”

In Darwin se tyd is daar gedink dat die lewende sel—die grondslag van lewe—eenvoudig is, en die evolusieteorie is in daardie era van betreklike onkunde gevorm. Maar die wetenskap het nou verder gevorder. Molekulêre biologie en biomimetika het bo alle twyfel bewys dat die sel ’n buitengewoon komplekse stelsel is wat propvol meesterlike, volmaakte ontwerpe is wat die werking van ons mees gesofistikeerde uitvindings en masjiene na kinderspeletjies laat lyk in vergelyking daarmee.

Meesterlike ontwerp lei ons tot die logiese gevolgtrekking, sê Behe, “dat lewe deur ’n intelligente persoon ontwerp is”. Is dit dus nie redelik dat hierdie Persoon ook ’n voorneme het, ’n voorneme wat die mens insluit nie? Indien wel, wat is daardie voorneme? En kan ons meer oor ons Ontwerper self leer? Die volgende artikel sal hierdie belangrike vrae bespreek.

[Voetnote]

[Venster op bladsy 5]

’n Uitgestorwe vlieg dra by tot beter sonpanele

Terwyl ’n wetenskaplike ’n museum besoek het, het hy foto’s van ’n uitgestorwe vlieg gesien wat in amber bewaar is, sê ’n berig in die tydskrif New Scientist. Hy het opgemerk dat daar ’n reeks parallelle lyne op die insek se oë was en vermoed dat dit die vlieg se oë dalk gehelp het om meer lig op te vang, veral wanneer die lig teen ’n baie skuins hoek daarop geval het. Hy en ander navorsers het eksperimente begin doen en hulle vermoede bevestig.

Wetenskaplikes het kort daarna planne gemaak om dieselfde patroon van lyne op die glas van sonpanele te probeer ets. Hulle hoop dat dit daartoe sal bydra dat sonpanele meer krag opwek. Dit is dan moontlik nie nodig om duur volgtoestelle te hê wat die sonpanele altyd na die son toe draai nie. Beter sonpanele sal moontlik beteken dat minder fossielbrandstowwe gebruik word, en gevolglik dat daar minder besoedeling sal wees—’n waardige doelwit. Ontdekkings soos dié help ons ongetwyfeld om te besef dat die natuur waarlik die hoofbron van meesterlike ontwerpe is wat net wag om ontdek te word, verstaan te word en, waar moontlik, op nuttige maniere nageboots te word.

[Venster op bladsy 6]

Gee eer waar dit iemand toekom

In 1957 het ’n Switserse ingenieur, George de Mes­tral, opgemerk dat die klein, hardnekkige klitsgras wat aan sy klere vasgesit het met piepklein hakies oortrek was. Hy het hierdie klitsgras en hulle hakies bestudeer, en kort voor lank het sy skeppende verstand aan die werk begin gaan. Hy het die volgende agt jaar daaraan bestee om ’n sintetiese stof te ontwikkel wat met klitsgras ooreenkom. Sy uitvinding het die wêreld stormenderhand verower en is nou ’n huishoudelike naam—Velcro.

Dink net hoe De Mestral sou voel as daar vir die wêreld gesê is dat niemand Velcro ontwerp het nie, dat dit sommer net ontstaan het as gevolg van ’n hele rits ongelukke in ’n werkswinkel. Redelikheid en geregtigheid vereis beslis dat ons eer gee waar dit iemand toekom. Uitvinders neem patente uit om te verseker dat dit wel gebeur. Ja, dit lyk of mense eer, finansiële belonings en selfs lof verdien vir hulle skeppingswerke, wat dikwels minderwaardige nabootsings is van dinge in die sigbare wêreld. Behoort ons wyse Skepper nie erkenning te kry vir sy volmaakte oorspronklike werke nie?

[Prent op bladsy 5]

Gram vir gram is been sterker as staal

[Erkenning]

Anatomie du gladiateur combattant...., Parys, 1812, Jean-Galbert Salvage

[Prent op bladsy 7]

Walvisspek is ’n dryfmiddel, en dit voorsien hitte-isolasie en voedselreserwes

[Erkenning]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[Prent op bladsy 7]

Die vel van krokodille en alligators kan spiese, pyle en selfs koeëls laat wegskram

[Prent op bladsy 7]

Spinnekopsy is vyf keer sterker as staal, en tog is dit uiters elasties

[Prent op bladsy 8]

’n Houtkapper se brein word beskerm deur baie digte been wat as ’n skokbreker dien

[Prent op bladsy 8]

Verkleurmannetjies verander van kleur om met hulle omgewing saam te smelt

[Prent op bladsy 8]

Die seilslak het spesiale holtes wat hom in staat stel om sy dryfvermoë te reguleer

[Prent op bladsy 9]

Die robynkeelkolibrie lê ’n reis van 1 000 kilometer af en verbrand minder as drie gram van sy liggaamsgewig

[Prent op bladsy 9]

Die pylinkvis gebruik ’n vorm van straalaandrywing

[Prent op bladsy 9]

Chemiese wonders steek die helder, koue liggies in vuurvliegies aan

[Erkenning]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited