Leren van de ontwerpen in de natuur

„Veel van onze beste uitvindingen zijn gekopieerd van of worden reeds gebruikt door andere levensvormen.” — Phil Gates, Wild Technology.

ZOALS in het vorige artikel werd gezegd, heeft het wetenschapsgebied van de biomimetiek ten doel gecompliceerdere materialen en apparaten te vervaardigen door nabootsing van de natuur. De natuur maakt haar producten zonder vervuiling te veroorzaken, en de producten zijn meestal veerkrachtig en licht, en toch ongelooflijk sterk.

Gerekend naar het gewicht is bot bijvoorbeeld sterker dan staal. Wat is het geheim? Het antwoord is voor een deel gelegen in de goed geconstrueerde vorm, maar de hoofdoorzaken liggen dieper — op moleculair niveau. „Het succes van levende organismen is gelegen in het ontwerp en de samenvoeging van hun kleinste componenten”, legt Gates uit. Door in deze kleinste componenten te turen, hebben wetenschappers de stoffen geïsoleerd die natuurlijke producten, van bot tot zijde, hun begeerde kracht en geringe gewicht geven. Zij hebben ontdekt dat het bij deze stoffen om diverse vormen van natuurlijke composietmaterialen of composieten gaat.

Het wonder der composieten

Composieten zijn vaste materialen die ontstaan wanneer twee of meer stoffen worden samengevoegd tot een nieuwe stof, waarvan de eigenschappen superieur zijn aan die van de oorspronkelijke ingrediënten. Dit kan worden geïllustreerd met de synthetische composiet fiberglas, die algemeen gebruikt wordt in scheepsrompen, hengels, bogen, pijlen en andere sportartikelen. * Fiberglas maakt men door dunne glasvezels in te bedden in een vloeibare of geleiachtige matrix (grondmassa) van kunststof (een polymeer genaamd). Wanneer de polymeer vast wordt, of uithardt, is het eindresultaat een composiet die licht, sterk en buigzaam is. Door de soorten vezel en de matrix te variëren, kan er een enorme verscheidenheid van producten worden vervaardigd. Natuurlijk zijn door mensen gemaakte composieten nog steeds primitief vergeleken bij de natuurlijke composieten die in mensen, dieren en planten worden aangetroffen.

Bij mensen en dieren is, in plaats van glasvezel of koolstofvezel, een vezelproteïne die collageen heet de basis van de composieten die stevigheid verlenen aan huid, ingewanden, kraakbeen, pezen, botten  en tanden (behalve het glazuur). * Eén verwijswerk beschrijft composieten op basis van collageen als behorend tot „de meest geavanceerde structurele composietmaterialen die men kent”.

Neem bijvoorbeeld de pezen, waarmee de spieren aan het skelet vastzitten. Pezen zijn bijzonder, niet alleen door de taaiheid van hun voornamelijk uit collageen bestaande vezels maar ook door de briljante manier waarop deze vezels zijn ineengevlochten. Janine Benyus schrijft in haar boek Biomimicry dat een ontrafelde pees „bijna ongelooflijk is in zijn precisie op elk niveau. De pees in uw onderarm is een gedraaide bundel kabels, zoals de kabels van een hangbrug. Elke afzonderlijke kabel is zelf een gedraaide bundel dunnere kabels. Elk van deze dunnere kabels is weer een gedraaide bundel moleculen, die uiteraard uit gedraaide, spiraalvormige bundels atomen bestaan. Steeds opnieuw ontvouwt zich een mathematische schoonheid.” Het is, zo zegt zij, „een staaltje van briljante techniek”. Wekt het dan verbazing dat wetenschappers zeggen geïnspireerd te worden  door de ontwerpen in de natuur? — Vergelijk Job 40:15, 17.

Zoals gezegd vallen door mensen gemaakte composieten in het niet vergeleken bij natuurlijke composieten. Toch zijn synthetische stoffen heel bijzonder. Ze worden zelfs gerekend tot de tien beste technische prestaties van de afgelopen 25 jaar. Composieten op basis van grafiet- of koolstofvezels bijvoorbeeld hebben nieuwe generaties onderdelen in de lucht- en ruimtevaart voortgebracht, alsook nieuwe generaties sportartikelen, formule 1-​racewagens, jachten en lichtgewicht kunstledematen — om slechts een paar artikelen van een snelgroeiende lijst te noemen.

Multifunctionele, wonderbaarlijke blubber

Walvissen en dolfijnen weten het niet, maar hun lichaam is in een wonderweefsel gehuld — blubber, een soort vet. „Walvisblubber is misschien wel het meest multifunctionele materiaal dat wij kennen”, zegt het boek Biomimetics: Design and Processing of Materials. Als verklaring waarom dat zo is, zegt het boek verder dat blubber een geweldig drijfinstrument is dat de walvis helpt naar de oppervlakte te komen voor lucht. Het voorziet deze warmbloedige zoogdieren van een uitstekende isolatie tegen de kou van de oceaan. En het is ook de best mogelijke voedselreserve wanneer ze tijdens de trek duizenden kilometers zwemmen zonder voedsel tot zich te nemen. Inderdaad levert vet, gerekend naar het gewicht, twee- tot driemaal zoveel energie als eiwit en suiker.

„Blubber is tevens een zeer veerkrachtig, rubberachtig materiaal”, zegt het bovengenoemde boek. „Onze beste schatting is nu dat de versnelling die wordt veroorzaakt door het terugveren van blubber die bij elke staartslag wordt samengedrukt en uitgerekt, tijdens lange periodes van onafgebroken zwemmen misschien wel 20% energie spaart.”

Blubber wordt al eeuwenlang gewonnen, maar pas onlangs is aan het licht gekomen dat ongeveer de helft van het volume van blubber bestaat uit een ingewikkeld netwerk van collageenvezels waarmee elk dier is omgeven. Hoewel wetenschappers nog steeds proberen de functies van dit vet-composietmengsel te doorgronden, geloven zij dat zij opnieuw een wonderbaarlijk product hebben ontdekt dat veel nuttige toepassingsmogelijkheden zou hebben als het synthetisch werd vervaardigd.

Een achtpotig technisch genie

De afgelopen jaren hebben wetenschappers ook de spin nauwgezet bestudeerd. Zij willen heel graag begrijpen hoe hij spinzijde, eveneens een composiet, fabriceert. Het is waar dat heel veel insecten zijde produceren, maar spinzijde is iets bijzonders. Als een van de sterkste materialen op aarde is ze „de ideale stof”, zei een wetenschapspublicist. Spinzijde is zo bijzonder dat een opsomming van de verbazingwekkende eigenschappen ervan ongelooflijk zou schijnen.

Waarom gebruiken wetenschappers superlatieven wanneer zij het over spinzijde hebben? Behalve dat ze vijfmaal zo sterk is als staal, is ze ook heel elastisch — een zeldzame combinatie in materialen. Spinzijde  is dertig procent verder uit te rekken dan het meest elastische nylon. Toch veert ze niet als een trampoline terug, zodat het maaltje van de spin de lucht in geslingerd zou worden. „Omgerekend naar menselijke proporties”, zegt Science News, „zou een web ter grootte van een visnet een passagiersvliegtuig kunnen vangen.”

Als wij de chemische toverij van de spin konden kopiëren — twee soorten produceren zelfs zeven variëteiten zijde — stel u dan eens voor hoe wij die zouden kunnen gebruiken! In sterk verbeterde veiligheidsgordels, alsook in hechtingen, kunstgewrichten, lichtgewicht snoeren en kabels, en kogelvrije stoffen, om slechts een paar mogelijkheden te noemen. Wetenschappers proberen tevens te begrijpen hoe de spin zo efficiënt zijde maakt — en zonder giftige chemicaliën te gebruiken.

Versnellingsbakken en straalmotoren in de natuur

Versnellingsbakken en straalmotoren houden de hedendaagse wereld in beweging. Maar wist u dat de natuur ons ook met deze ontwerpen al vóór was? Neem bijvoorbeeld de versnellingsbak. Daarmee kunt u in uw auto op een andere versnelling overschakelen om uw motor zo efficiënt mogelijk te gebruiken. De versnellingsbak van de natuur doet hetzelfde, maar hij verbindt geen motoren met wielen. Nee, hij verbindt vleugels met vleugels! En waar is hij te vinden? In de gewone huisvlieg. De vlieg heeft een drieversnellingshendeltje dat verbonden is met zijn vleugels, waardoor hij in de lucht kan schakelen!

 De pijlinktvis, de octopus en de nautilus hebben alle een vorm van straalaandrijving die hen in het water voortstuwt. Wetenschappers bezien deze straalmotoren met afgunst. Waarom? Omdat ze zijn samengesteld uit zachte onderdelen die niet kunnen breken, die tegen grote diepten bestand zijn en die geruisloos en efficiënt werken. Een pijlinktvis kan zelfs met 32 kilometer per uur vooruitschieten als hij voor een vijand vlucht, waarbij hij „soms zelfs uit het water opspringt en op het dek van een schip terechtkomt”, zegt het boek Wild Technology.

Ja, wanneer wij er even een paar momenten voor nemen om over de natuur na te denken, kunnen wij met ontzag en waardering vervuld worden. De natuur is werkelijk een levend raadsel dat de ene vraag na de andere oproept: Welke chemische wonderen ontsteken het fonkelende, koude licht in vuurvliegjes en bepaalde algen? Hoe worden verschillende vissen en kikkers in het Noordpoolgebied nadat ze ’s winters ijskoud zijn geweest, weer actief wanneer ze opwarmen? Hoe kunnen walvissen en zeehonden lange tijd onder water blijven zonder ademhalingsapparaat? En hoe kunnen ze herhaaldelijk naar grote diepten duiken zonder decompressieziekte, gewoonlijk caissonziekte genoemd, te krijgen? Hoe kunnen kameleons en inktvissen van kleur veranderen om op te gaan in hun omgeving? Hoe kunnen kolibries op nog geen drie gram brandstof de Golf van Mexico oversteken? Er schijnt geen eind te zijn aan de lijst met vragen.

Mensen kunnen werkelijk slechts vol bewondering toekijken. Wetenschappers worden vervuld met een „aan eerbied grenzend” ontzag wanneer zij de natuur bestuderen, zegt het boek Biomimicry.

 Achter het ontwerp — Een Ontwerper!

Michael Behe, docent biochemie, zei dat één resultaat van de recente ontdekkingen in de levende cel „de luide, duidelijke, doordringende kreet ’ontwerp!’” is. Hij zei verder dat dit resultaat van de inspanningen om de cel te bestuderen „zo ondubbelzinnig en zo significant [is] dat het als een van de grootste prestaties in de geschiedenis der wetenschap gezien moet worden”.

Het is te begrijpen dat het bewijs van een Ontwerper problemen schept voor degenen die de evolutietheorie aanhangen, want evolutie kan geen verklaring geven voor het verfijnde ontwerp in levende dingen, vooral op cellulair en moleculair niveau. „Er zijn dwingende redenen”, zegt Behe, „om te geloven dat wij er nooit in zullen slagen een darwiniaanse verklaring voor de mechanismen van het leven te vinden.”

In Darwins tijd dacht men dat de levende cel — het fundament van het leven — eenvoudig was, en in dat tijdperk van betrekkelijke onwetendheid werd de evolutietheorie opgesteld. Maar nu is de wetenschap die tijd gepasseerd. De moleculaire biologie en de biomimetiek hebben onomstotelijk bewezen dat de cel een buitengewoon complex systeem is, vol met verfijnde, volmaakte ontwerpen die het mechanisme van onze meest geraffineerde uitvindingen en apparaten op kinderspel doen lijken.

Briljant ontwerp leidt ons tot de logische conclusie, zegt Behe, „dat het leven door een intelligent persoon is ontworpen”. Is het daarom niet redelijk dat deze Persoon tevens een doel, een voornemen, heeft waarbij ook mensen inbegrepen zijn? Zo ja, wat is dan dat voornemen? En kunnen wij meer over onze Ontwerper zelf te weten komen? Het volgende artikel zal die belangrijke vragen onder de loep nemen.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 5]

Een uitgestorven vlieg helpt zonnepanelen te verbeteren

Tijdens een bezoek aan een museum zag een wetenschapper afbeeldingen van een uitgestorven vlieg die in barnsteen bewaard was gebleven, zegt een verslag in het tijdschrift New Scientist. Hij bespeurde een serie rasters op het oog van het insect en vermoedde dat die ertoe hadden bijgedragen dat de ogen van de vlieg meer licht opvingen, vooral vanuit zeer schuine hoeken. Hij en andere onderzoekers begonnen experimenten uit te voeren en zagen hun vermoeden bevestigd.

Niet lang daarna maakten wetenschappers plannen om hetzelfde rasterpatroon op het glas van zonnepanelen te etsen. Zij hopen dat zonnepanelen hierdoor meer energie zullen produceren. Het zou ook de kostbare oriëntatiesystemen die nu nodig zijn om de zonnepanelen op de zon gericht te houden, overbodig maken. Betere zonnepanelen betekenen wellicht een lager verbruik van fossiele brandstoffen en dus minder vervuiling — een waardevol doel. Ontdekkingen zoals deze helpen ons beslist te begrijpen dat de natuur een waar reservoir van briljante ontwerpen is die er gewoon op wachten ontdekt, begrepen en waar mogelijk voor nuttige doeleinden gekopieerd te worden.

[Kader op blz. 6]

Ere wie ere toekomt

In 1957 viel het de Zwitserse ingenieur George de Mestral op dat de kleine, hardnekkige klitten die aan zijn kleren bleven hangen, met minuscule haakjes overdekt waren. Hij bestudeerde deze klitten en hun haakjes, en al gauw stond zijn creatieve geest in vuur en vlam. De daaropvolgende acht jaar besteedde hij aan het ontwikkelen van een synthetisch equivalent van de klit. Zijn uitvinding veroverde de wereld stormenderhand en is nu een bekend artikel — klittenband.

Stel u eens voor hoe De Mestral zich gevoeld zou hebben als men de wereld had verteld dat klittenband door niemand ontworpen was maar gewoon was ontstaan als gevolg van een opeenvolging van duizenden toevallige gebeurtenissen in een werkplaats. De eerlijkheid en rechtvaardigheid gebieden beslist dat eer wordt gegeven aan wie die eer toekomt. Menselijke uitvinders vragen patent aan om dat te garanderen. Ja, kennelijk verdienen mensen eer, geldelijke beloningen en zelfs lof voor hun scheppingen, die vaak inferieure nabootsingen zijn van dingen in de natuur. Dient onze wijze Schepper dan geen erkenning te krijgen voor zijn volmaakte originelen?

[Illustratie op blz. 5]

Gerekend naar het gewicht is bot sterker dan staal

[Verantwoording]

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

[Illustratie op blz. 7]

Walvisblubber biedt drijfvermogen, warmte-isolatie en voedselreserves

[Verantwoording]

© Dave B. Fleetham/Visuals Unlimited

[Illustratie op blz. 7]

De huid van krokodillen en alligators kan speren, pijlen en zelfs kogels doen afketsen

[Illustratie op blz. 7]

Spinzijde is vijfmaal zo sterk als staal en toch heel elastisch

[Illustratie op blz. 8]

De hersenen van een specht worden beschermd door een heel massief bot dat als schokbreker fungeert

[Illustratie op blz. 8]

Kameleons veranderen van kleur om op te gaan in hun omgeving

[Illustratie op blz. 8]

De nautilus heeft speciale kamers waarmee hij zijn drijfvermogen kan reguleren

[Illustratie op blz. 9]

Het robijnkeeltje, een kolibrie, maakt een reis van 1000 kilometer op nog geen drie gram brandstof

[Illustratie op blz. 9]

De inktvis maakt gebruik van een soort straalaandrijving

[Illustratie op blz. 9]

Chemische wonderen ontsteken het fonkelende, koude licht in vuurvliegjes

[Verantwoording]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited