निसर्गातील रचनांमधून शिकणे

“मानवाचे उत्तमातले उत्तम शोध एकतर इतर जिवंत प्राण्यांची नक्कल असते किंवा सध्या वापरात असलेले तंत्र असते.”—फिल गेट्‌स, वाईल्ड टेक्नॉलॉजी.

आधीच्या लेखात सांगितल्यानुसार, निसर्गाची नक्कल करून अधिक जटिल पदार्थ आणि यंत्र तयार करणे हे बायोमिमेटिक्स शास्त्राचे उद्दिष्ट आहे. निसर्गात, प्रदूषण न होता निर्मिती होत असते; ती निर्मिती लवचीक आणि हलकी असूनही मजबूत असते.

उदाहरणार्थ, हाडाचा प्रत्येक आऊन्स पोलादापेक्षा कठीण असतो. याचे रहस्य काय असावे? याचे एक कारण म्हणजे त्याला दिलेला उत्कृष्ट आकार; पण याची मुख्य कारणे खोलवर अर्थात त्याच्या रेणवीय रचनेत सामावलेली आहेत. गेट्‌स म्हणतात की, जिवंत प्राण्यांचे रहस्य “त्यांच्या शरीरातल्या लहानातल्या लहान घटकाची रचना आणि जुळणी यांत आहे.” या लहानातल्या लहान घटकांचा तपास केल्यावरच, हाडापासून रेशमापर्यंत सर्व नैसर्गिक गोष्टींना ज्या पदार्थांमुळे हेवा वाटण्याजोगा मजबूतपणा आणि हलकेपणा मिळाला आहे ते पदार्थ शास्त्रज्ञ ओळखू शकले आहेत. त्यांनी शोध लावलेले हे पदार्थ नैसर्गिक संयुगांचे विविध प्रकार आहेत.

संयुगांचा चमत्कार

संयुगे घन पदार्थ असतात. दोन किंवा दोनापेक्षा जास्त पदार्थ एकत्र येऊन एक नवीन पदार्थ बनतो आणि त्याचे गुणधर्म आधीच्या पदार्थांपेक्षा श्रेष्ठ असतात तेव्हा ही संयुगे तयार होतात. फायबरग्लास या कृत्रिम संयुगाच्या उदाहरणाने हे स्पष्ट केले जाऊ शकते; बोटीचा सांगाडा, फिशिंग रॉड, धनुष्य, बाण आणि इतर खेळाचे साहित्य तयार करण्यासाठी त्याचा सर्रास वापर केला जातो. * काचेचे बारीक तंतू (फायबर) प्लास्टिकच्या (पोलायमर नाव असलेल्या) द्रव्यात किंवा जेलीसारख्या आधारद्रव्यात घातले जाऊन फायबरग्लास तयार केला जातो. पोलायमर घट्ट होतो किंवा कठीण होतो तेव्हा एक हलके, मजबूत आणि लवचीक संयुग तयार होते. तंतूंचे आणि आधारद्रव्यांचे विविध प्रकार असले, तर अनेकविध वस्तू तयार करता येऊ शकतात. अर्थात, मानव-निर्मित संयुगे मानवांमध्ये, प्राण्यांमध्ये आणि वनस्पतींमध्ये निसर्गतः आढळणाऱ्‍या संयुगांच्या तुलनेने फार हलक्या प्रतीची असतात.

मानव आणि प्राण्यांमध्ये, काचेच्या किंवा कार्बनच्या तंतूंऐवजी कोलेजन नावाचे एक तंतूमय प्रथिन असते जे त्वचा, आंतड्या, कास्थी, कंडरा, हाडे आणि दात (एनॅमल वगळता) यांना मजबुती  देणाऱ्‍या संयुगातले मूलतत्त्व असते. * एका सूत्रानुसार, कोलेजनचा मुख्य अंश असलेल्या संयुगांचे वर्णन, “ज्ञात असलेल्या रचनात्मक संयुगांच्या सर्वात उत्कृष्ट प्रकारातील एक” असे केले आहे.

उदाहरणार्थ, हाडांना स्नायू बांधणाऱ्‍या कंडरांचा (स्नायूरज्जू) विचार करा. कंडरा अत्यंत विलक्षण असतात; कोलेजन तंतूंनी बनलेल्या असल्यामुळे त्या मजबूत असतातच पण त्यांची असाधारण पद्धतीची घडण देखील या मजबुतीला कारणीभूत असते. बायोमिमिकरी या आपल्या पुस्तकात जनीन बीन्यस लिहितात की, आतापर्यंत उलगडा न झालेल्या कंडरेची “बहुव्यापक अचूकता चकित करणारी आहे. हाताच्या कोपऱ्‍यापासून मनगटापर्यंतच्या हातातली कंडरा म्हणजे सस्पेंशन पुलासाठी वापरलेल्या केबल्ससारखीच एक गुंडाळी असते. त्या गुंडाळीतली प्रत्येक कंडरा आणखी बारीक कंडरांचा गुंडाळलेला गठ्ठा असतो. या बारीक कंडरासुद्धा रेणूंच्या गुंडाळीने तयार झालेला गठ्ठा असतो आणि हे रेणू पुन्हा अणूंचे सर्पिल गठ्ठे असतात. कंडरेच्या रचनेत प्रत्येक वेळी एक नवीन गणित उलगडत असते.” त्यांच्या मते ही एक “बेजोड रचना” आहे. म्हणूनच, आपल्याला निसर्गातल्या रचनांमधून  प्रेरणा मिळाली असे शास्त्रज्ञ म्हणतात ते काही आश्‍चर्याचे नाही.—पडताळा ईयोब ४०:१५, १७.

आधी सांगितल्याप्रमाणे, मानवाने निर्माण केलेली संयुगे निसर्गातल्या संयुगांपुढे फिकी पडतात. पण, तरीही कृत्रिम पदार्थ असामान्य आहेत. खरे तर, गेल्या २५ वर्षांमध्ये सर्वात उल्लेखनीय ठरलेल्या रचनात्मक साध्यतांमध्ये त्यांना गणले गेले आहे. उदाहरणार्थ, ग्राफाईट किंवा कार्बन तंतूंनी बनलेल्या संयुगांमुळे आधुनिक विमानांचे आणि अंतरिक्ष यानांचे काही भाग, खेळ-क्रिडेचे साहित्य, फॉर्म्युला वन रेस कार्स, याट बोटी आणि हलक्या वजनाचे कृत्रिम हातपाय बनवण्यात आले आहेत. या झाल्या मोजक्याच वस्तू पण ही यादी वाढतच चालली आहे.

बहुपयोगी, अद्‌भुत ब्लबर

देव मासे आणि डॉल्फिन्सना काडीची कल्पना नाही की त्यांच्या शरीराभोवती ब्लबर अर्थात एक प्रकारच्या चरबीचे अद्‌भुत जाळे आहे. बायोमिमेटिक्स: डिझाईन ॲण्ड प्रोसेसिंग ऑफ मटेरियल्स हे पुस्तक म्हणते, “देवमाशातला ब्लबर हा सर्वात बहुपयोगी पदार्थ आहे.” याचे कारण देत ते पुढे म्हणते की, ब्लबरचा उपयोग तरंगण्यासाठी होतो आणि म्हणून देवमाशांना श्‍वास घेण्यासाठी पाण्याच्या वर यायला मदत होते. शिवाय, सागरातील थंडीपासून या ऊष्ण रक्‍ताच्या सस्तन प्राण्यांचे संरक्षण होते. त्याचप्रमाणे, हजारो मैल स्थलांतर करत असताना ते काहीच खात नसतात; त्या वेळीही, हे ब्लबर त्यांच्या उपयोगी पडते. या चरबीच्या प्रत्येक आऊन्सात प्रथिन आणि शर्करा यांच्यापेक्षा दुप्पट, तिप्पट ऊर्जा असते.

वर दिलेल्या पुस्तकानुसार, “ब्लबर हा रबरासारखा लवचीक पदार्थ आहे. आमचा अंदाज आहे की, शेपटी हलवताना ब्लबर आकुंचन पावते आणि ताणते तेव्हा लवचीकतेमुळे होणाऱ्‍या गतीवाढीने लांब पल्ल्यापर्यंत एका दमात पोहत असताना २० टक्के ऊर्जेची बचत होऊ शकते.”

कित्येक वर्षांपासून देवमाशांमधून हे ब्लबर काढून घेण्यात आले आहे, पण अलीकडेच असे निदर्शनास आले की, प्रत्येक प्राण्याच्या शरीराभोवती असलेल्या या ब्लबरचा जवळजवळ निम्मा भाग कोलेजन तंतूंचे एक जटिल जाळे आहे. या चरबीच्या संयुगाचे कार्य कसे चालते हे वैज्ञानिकांना अद्याप पूर्णतः समजलेले नाही, तरीही आपल्याला एका विलक्षण पदार्थाचा शोध लागला आहे एवढे मात्र त्यांना निश्‍चित माहीत आहे; कारण असाच कृत्रिम पदार्थ बनवला तर त्याचे अनेकविध उपयोग होऊ शकतील.

आठ-पायांचा बुद्धिमान अभियांत्रिक

अलीकडील वर्षांमध्ये, शास्त्रज्ञ, कोळी या कीटकाचेही जवळून परीक्षण करत आहेत. हा कोळी रेशमाचे धागे कसे तयार करतो हे जाणून घेण्याची त्यांना उत्सुकता आहे; कारण हा धागासुद्धा एक संयुगच आहे. हे खरे आहे की, पुष्कळ किडे रेशीम तयार करतात परंतु कोळ्याच्या रेशमाच्या धाग्यात काही खास गुण आहेत. तो सर्वात मजबूत पदार्थांपैकी एक असून “एक चमत्कारिक पदार्थ आहे,” असे विज्ञानाच्या विषयावरील एका लेखकाने म्हटले. कोळ्याच्या रेशमाचे गुणधर्म अवाक होण्याइतके उत्कृष्ट आहेत.

कोळ्याच्या रेशमाचे वर्णन करताना वैज्ञानिक त्याची श्रेष्ठता दाखवणाऱ्‍या विशेषणांचा वापर का करतात? पोलादापेक्षा पाच पटीने ते कठीण असले तरीही ते अत्यंत लवचीक आहे. अभावानेच  आढळणारा एक संयोग! कोळ्याचे रेशीम सर्वात लवचीक असणाऱ्‍या नायलॉनपेक्षाही ३० टक्के अधिक ताणते. ते इतके ताणत असले तरीही ट्रॅमपोलिनसारखे उडत नाही; नाहीतर जाळ्यात पडलेले कोळ्याचे अन्‍न बाहेर फेकले जाईल. सायन्स न्यूज पत्रिकेत असे म्हटले आहे की, “मासे पकडण्याच्या जाळ्याच्या आकाराचे कोळ्याचे जाळे एखाद्या प्रवासी विमानाला अडकवू शकते.”

कोळ्याच्या या रासायनिक कौशल्याची (त्यातल्या त्यात, कोळ्याच्या फक्‍त दोन जाती सात विविध प्रकारच्या रेशमाचे धागे तयार करतात) आपल्याला नक्कल करता आली तर त्यातून किती वस्तू तयार करता येतील याचा फक्‍त विचार करा! अत्याधुनिक सीट बेल्ट, शस्त्रक्रियेत शिवण्यासाठी वापरला जाणारा धागा, कृत्रिम अस्थिबंधन, हलक्या वजनाच्या वायरी आणि केबल्स तसेच बुलेटप्रुफ कपडे यांच्यासाठी तसेच इतर अनेक वस्तूंसाठी त्याचा उपयोग करता येऊ शकतो. कोळी इतक्या सफाईदारपणे—विषारी रसायने न वापरता—रेशीम कसे तयार करतो हेसुद्धा जाणून घेण्याचा प्रयत्न शास्त्रज्ञ करत आहेत.

निसर्गातले गिअरबॉक्स आणि जेट इंजिन

गिअरबॉक्स आणि जेट इंजिने यांच्या जोरावरच आज जग चालत आहे. पण, निसर्गाने या रचनांमध्येही आपल्याला मागे पाडले आहे हे तुम्हाला ठाऊक होते का? उदाहरणार्थ, गिअरबॉक्सच पाहा. गिअरबॉक्सच्या साहाय्याने गाडीतले गिअर बदलता येतात ज्यामुळे इंजिनचा सर्वोत्तम उपयोग केला जातो. निसर्गातले गिअरबॉक्ससुद्धा हेच काम करतात पण ते इंजिन आणि चाकांना जोडत नाहीत. तर, ते दोन पंखांना जोडतात! आणि हे कोठे पाहायला मिळते? माशीत!  माशीच्या पंखांमध्ये गती बदलणारे तीन गिअर्स आहेत; त्यांच्या साहाय्याने माशी हवेतल्या हवेतच गिअर बदलू शकते!

स्क्विड, ऑक्टोपस आणि नॉटिलस या सर्व प्राण्यांना त्यांच्या शरीरातल्या नरसाळ्यासारख्या अवयवातून पाण्याची चिळकांडी सोडून सर्रकन पोहता येते. त्यांच्यामधील या तंत्राचा शास्त्रज्ञांना हेवा वाटतो. का? कारण त्यांचे भाग मऊ असल्यामुळे ते तुटू शकत नाहीत, खोल पाण्यातही त्यांना कसलीच हानी पोहंचत नाही आणि काहीही आवाज न करता आणि सफाईने ते कार्य करतात. स्क्विड तर भक्षकांपासून स्वतःचा बचाव करण्यासाठी ताशी ३२ किमी वेगाने पोहू शकतो; आणि काहीवेळा तर तो “चक्क पाण्यातून बाहेर उडी मारून जहाजांवर येऊन पडतो” असे वाईल्ड टेक्नोलॉजी हे पुस्तक म्हणते.

निसर्गाचा अंमळ विचार केला तर आपले मन आदर आणि प्रशंसेने भरून येईल. निसर्ग हे प्रश्‍नावर प्रश्‍न निर्माण करणाऱ्‍या जिवंत कोड्यासारखे आहे: विशिष्ट दीप्तिमान कीटकांमध्ये आणि कवकांमध्ये लुकलुकणारा शीत प्रकाश कोणत्या रासायनिक चमत्काराचा आविष्कार आहे? आर्कटिक्टमधील विविध प्रकारचे मासे आणि बेडूक हिवाळ्यात पूर्णतः गोठून कडक झाल्यानंतर पुन्हा एकदा क्रियाशील कसे होतात? देवमासे आणि सील प्राणी कोणत्याही श्‍वसन यंत्राविना इतका वेळ पाण्याखाली कसे राहू शकतात? शिवाय, समुद्राच्या तळापासून झटकन वर आल्यावर त्यांना वेदना कशा होत नाहीत? सरडे आणि कटलफिश आजूबाजूच्या परिस्थितीनुसार स्वतःचे रंग कसे बदलतात? हमिंगबर्ड पक्षी ३ ग्रॅमहून कमी इंधनामध्ये मेक्सिकोचा संपूर्ण आखात कसा काय ओलांडतो? या कोड्यांची यादी अंतहीन आहे.

आपण मानव फक्‍त या सर्व गोष्टींकडे पाहून आश्‍चर्य व्यक्‍त करू शकतो. बायोमिमिकरी हे पुस्तक म्हणते की, निसर्गाचा अभ्यास करताना शास्त्रज्ञांना हे सर्व पाहून या गोष्टींविषयी “आदर निर्माण” करणारे आश्‍चर्य वाटू लागते.

 रचनेमागे रचनाकार!

जीवरसायनशास्त्राचे सहायक प्राध्यापक मायकल बीही म्हणाले की, जिवंत पेशीमध्ये अलीकडेच लागलेल्या शोधामुळे “‘रचना’ हीच एक स्पष्ट आणि मोठ्या आवाजातली हाक” ऐकू आली आहे. त्यांनी पुढे असे म्हटले की, पेशीचा अभ्यास करण्याचा हा परिणाम “इतका स्पष्ट आणि महत्त्वाचा आहे की विज्ञानाच्या इतिहासात सर्वात मोठ्या कामगिरींपैकी एक, असे त्याला मानले पाहिजे.”

साहजिकच, रचनाकाराचा पुरावा मिळवणे ही उत्क्रांतीवाद्यांसाठी एक समस्या आहे; कारण सजीव गोष्टींमधील अशा जटिल रचनांचे (विशेषतः पेशी आणि रेणूंमधील रचनांचे) स्पष्टीकरण उत्क्रांतीवादाकडे नाही. बीही म्हणतात की, “जीवनातल्या रचनांबद्दल डार्विनवादाकडे स्पष्टीकरण नाही असा विश्‍वास करण्यासाठी पुष्कळ कारणे आहेत.”

डार्विनच्या काळात, जीवनाचा मूळ आधार अर्थात जिवंत पेशी जटिल नाही असे मानले जात होते आणि या अज्ञानाच्या काळातच उत्क्रांतीच्या सिद्धान्ताचा जन्म झाला. पण तो काळ निघून गेला आहे; विज्ञानाने आता प्रगती केली आहे. रेणवीय जीवशास्त्र आणि बायोमिमेटिक्स यांनी निर्विवादपणे सिद्ध केले आहे की, पेशी ही सर्वोत्कृष्ट, परिपूर्ण रचनांची एक विलक्षण जटिल घडण आहे; आणि तिच्यापुढे मानवाने तयार केलेली सर्वात गुंतागुंतीची साधने व यंत्रे एखाद्या खेळणीसारखी आहेत.

बीही म्हणतात, ही बेजोड रचना पाहून एकच तर्कशुद्ध निष्कर्ष काढता येतो आणि तो म्हणजे “जीवन हे कोणा बुद्धिमान कर्त्याची रचना आहे.” तर मग, या कर्त्याचा मानवजातीसाठीही एक उद्देश आहे असा विचार करणे रास्त नाही का? जर रास्त आहे तर तो उद्देश काय आहे? आपल्या रचनाकाराबद्दल आपण आणखी शिकू शकतो का? पुढच्या लेखामध्ये या महत्त्वपूर्ण प्रश्‍नांचे परीक्षण केले जाईल.

[तळटीपा]

[५ पानांवरील चौकट]

नामशेष माशी सौर ऊर्जेच्या सुधारित फलकांसाठी उपयुक्‍त

न्यू सायंटिस्ट पत्रिकेतला एक अहवाल म्हणतो की, एका संग्रहालयाला भेट देत असताना, एका शास्त्रज्ञाचे लक्ष तैलस्फटिकाच्या आत शाबूत राहिलेल्या एका नामशेष माशीच्या छायाचित्रांवर पडले. त्या कीटकाच्या डोळ्यांवर समांतर रेषांची जाळी असल्याचे त्याच्या लक्षात आले; त्यामुळे माशीला जास्त प्रकाश शोषता आला असेल, खासकरून अत्यंत तिरकस कोनांमध्ये. त्या शास्त्रज्ञाने आणि त्याच्या सहकाऱ्‍यांनी यावर संशोधन सुरू केले आणि त्यांचा अंदाज खरा ठरला.

मग शास्त्रज्ञांनी सौर ऊर्जेच्या फलकांच्या काचेवर अशाच समांतर रेषांचे जाळे काढले. यामुळे सौर फलकांमध्ये जास्त ऊर्जा शोषली जाईल असे त्यांना वाटते. तसेच, सूर्याच्या दिशेने त्यांचे तोंड करून ठेवण्यासाठी जी महागडी यंत्रणा लागते तिचाही खर्च वाचेल. सुधारित सौर फलक म्हणजे कमीत कमी जीवाश्‍म इंधनाचा वापर आणि याचाच अर्थ कमी प्रदूषण. हे एक महत्त्वाचे उद्दिष्ट आहे. या अशा शोधांवरून हे स्पष्ट होते की, निसर्गातच एकाहून एक उत्कृष्ट रचना दडलेल्या आहेत; त्यांचा उलगडा करून घेणे, त्यांची समज प्राप्त करणे आणि शक्य असेल तेथे उपयोगात आणण्यासाठी त्यांची नक्कल करणे एवढेच बाकी आहे.

[६ पानांवरील चौकट]

श्रेयाचा मानकरी

एकोणीशे सत्तावन्‍न साली, स्विस अभियंता, जॉर्ज द मिस्ट्राल याने आपल्या कपड्यांना लागलेल्या लहान पण कठीण काट्यांना बारीक हूक होते हे पाहिले. त्याने या काट्यांचा आणि त्यांच्या हुकांचा अभ्यास केला आणि तडक या सर्जनशील व्यक्‍तीला एक कल्पना सुचली. पुढील आठ वर्षे त्याने त्याच काट्यासारखा कृत्रिम काटा तयार करायचा प्रयत्न केला. त्याच्या शोधाला तुफान लोकप्रियता मिळाली आणि आज वेल्क्रो हे उत्पन्‍न घराघरातून वापरले जात आहे.

पण जरा विचार करा: वेल्क्रो कोणीच तयार केला नाही; तो एका कारखान्यात हजारो योगायोगाच्या घटना घडल्यामुळे तयार झाला असे जगाला सांगण्यात आले असते तर द मिस्ट्रालला कसे वाटले असते? स्पष्टतः, तोच श्रेयाचा मानकरी आहे. मानवी शोधक तर स्वतःला मान मिळेल याची खात्री करण्यासाठी पेटंट मिळवतात. होय, मानवांना त्यांच्या कार्यांसाठी श्रेय, आर्थिक बक्षिसे आणि स्तुतीसुद्धा हवी असते. खरे तर त्यांनी तयार केलेल्या या गोष्टी सहसा निसर्गातल्या निर्मितीचीच नक्कल करण्याचा प्रयत्न असतो. तर मग, आपल्या बुद्धिमान निर्माणकर्त्याने दोषरहित मूळ वस्तूंची निर्मिती केल्याबद्दल त्याला श्रेय मिळू नये का?

[५ पानांवरील चित्र]

हाडाचा प्रत्येक आऊन्स पोलादापेक्षाही कठीण आहे

[चित्राचे श्रेय]

Anatomie du gladiateur combattant...., Paris, १८१२, Jean-Galbert Salvage

[७ पानांवरील चित्र]

देवमाशातल्या चरबीमुळे त्याला तरंगणे, थंडीपासून संरक्षण करणे आणि अन्‍न साठवणे शक्य होते

[चित्राचे श्रेय]

© Dave B. Fleetham/Visuals Unlimited

[७ पानांवरील चित्र]

मगरी आणि सुसरींच्या चमड्यांना भाले, बाण आणि बंदुकीच्या गोळ्यासुद्धा छेदू शकत नाहीत

[७ पानांवरील चित्र]

कोळ्याने तयार केलेला रेशमाचा धागा पोलादापेक्षा पाच पटीने कठीण असतो तरीपण अत्यंत लवचीक असतो

[८ पानांवरील चित्र]

सुतार पक्ष्याच्या मेंदूभोवती भक्कम हाडाचे आवरण असते; ते शॉक अबसॉर्बरसारखे काम करते

[८ पानांवरील चित्र]

सरडे आजूबाजूच्या परिस्थितीशी समरूप होण्यासाठी रंग बदलतात

[८ पानांवरील चित्र]

नॉटिलसमध्ये काही खास कप्पे असतात ज्यामुळे ते तरंगू शकते

[९ पानांवरील चित्र]

गळ्यावर लाल ठिपका असलेला हमिंगबर्ड पक्षी ३ ग्रॅम पेक्षाही कमी इंधन वापरून १००० किलोमीटरचा प्रवास करतो

[९ पानांवरील चित्र]

स्क्विड नरसाळ्यासारख्या अवयवातून पाण्याची चिळकांडी सोडून सर्रकन पोहतो

[९ पानांवरील चित्र]

दीप्तिमान कीटकांमध्ये निर्माण होणारा तेजस्वी, शीत प्रकाश रासायनिक चमत्कारांचा आविष्कार आहे

[चित्राचे श्रेय]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited