Učiti se od stvaritev v naravi

»Mnogi od naših najboljših izumov so posneti od drugih živih bitij oziroma jih ta že uporabljajo.« (Phil Gates, Wild Technology)

KOT smo omenili v prejšnjem članku, si bionika s posnemanjem narave prizadeva proizvesti bolj kompleksne materiale in stroje. Narava izdeluje svoje proizvode, ne da bi onesnaževala, in ti so ponavadi prožni, lahki, a vseeno neverjetno močni.

Gram kosti je na primer močnejši od grama jekla. V čem je skrivnost? Del odgovora je v njeni dobro zasnovani obliki, ključni razlogi pa ležijo globlje – na molekularni ravni. »Uspeh živih organizmov je v oblikovanosti in sestavi njihovih najmanjših sestavnih delov,« pojasnjuje Gates. Znanstveniki so kot rezultat preučevanja teh najmanjših sestavnih delov izolirali substance, ki dajejo naravnim proizvodom od kosti do svile njihovo zavidanja vredno moč in lahkost. Odkrili so, da so te substance različne oblike naravnih kompozitov.

Čudež kompozitov

Kompoziti so trdni materiali, ki nastanejo, ko se dve ali več snovi veže v novo snov, ki ima boljše lastnosti od lastnosti izhodnih snovi. To se da ponazoriti s sintetičnim kompozitom, steklenimi vlakni, ki jih navadno uporabljajo pri ladijskem trupu, ribiških palicah, lokih, puščicah in pri drugi športni opremi. * Steklena vlakna so narejena s polaganjem tankih steklenih vlaken v tekočino ali v želatini podobno matrico iz plastike (ki se imenuje polimer). Ko se polimer strdi oziroma ustali, je končni rezultat kompozit, ki je lahek, močan in prožen. Z različnimi vrstami vlaken in matric se da narediti izredno veliko proizvodov. Seveda so umetni kompoziti še vedno grobi v primerjavi z naravnimi, ki jih najdemo v ljudeh, živalih in rastlinah.

V ljudeh in živalih (namesto vlaken iz stekla oziroma ogljika) vlaknasta beljakovina, ki se imenuje kolagen, tvori temelj kompozitov, ki dajejo moč koži, črevesju, hrustancu, kitam, kostem in zobem (razen sklenini). *  Neki priročnik pravi za kolagenske kompozite, da so »med najbolj naprednimi sestavnimi kompozitnimi materiali, kar jih je znanih«.

Vzemimo na primer kite, ki vežejo mišice na kosti. Kite so izredne, ne le zaradi trdnosti kolagenskih vlaken, temveč tudi zaradi tega, kako so ta vlakna sijajno povezana. Janine Benyus v svoji knjigi Biomimicry piše, da je razpletena kita »skoraj neverjetna v svoji mnogostranski natančnosti. Kita v vaši podlakti je prepleten snop vrvi, podobno kakor kabli, ki jih uporabljajo pri visečem mostu. Vsaka posamezna vrv je prepleten snop tanjših vrvi. Vsaka od teh tanjših vrvi je sama prepleten snop molekul, ki so, seveda, prepleteni spiralni snopi atomov. Spet in spet se razkriva matematična lepota.« To je, še piše, »inženirska odličnost«. Ali je kakšno presenečenje, da znanstveniki pravijo, da jih navdihujejo stvaritve v naravi? (Primerjaj Job 40:15, 17.)

 Kot smo že omenili, umetni kompoziti kar zbledijo v primerjavi z naravnimi. Še vseeno pa so umetne snovi izredni proizvodi. Pravzaprav jih uvrščajo med deset najvidnejših inženirskih dosežkov preteklih 25 let. Kompoziti, narejeni na podlagi grafitnih in ogljikovih vlaken, so na primer vodili v nove generacije delov za letala in vesoljska plovila, športne opreme, dirkalnikov formule ena, jaht in lahkih umetnih udov – če omenimo samo nekaj reči v hitro rastočem inventarju.

Večnamenska, čudežna kitova tolšča

Kiti in delfini se ne zavedajo, da je njihovo telo ovito v čudežno tkivo – kitovo tolščo, obliko maščobe. »Kitova tolšča je morda najbolj večnamenski material, kar jih poznamo,« pravi knjiga Biomimetics: Design and Processing of Materials. Ko pojasnjuje zakaj, dodaja, da je kitova tolšča čudežna plovna naprava in da tako pomaga kitom na površje po zrak. Tem toplokrvnim sesalcem daje odlično izolacijo proti oceanskemu mrazu. Poleg tega jim je najboljša mogoča rezervna hrana med selitvami, dolgimi tisoče milj, med katerimi se ne hranijo. In res, gram maščobe daje nekje med dva- in trikrat toliko energije kakor gram beljakovine ali sladkorja.

»Kitova tolšča je tudi zelo prožen, gumi podoben material,« piše v prej omenjeni knjigi. »Naša najboljša ocena je sedaj takšna, da utegne pospešek, ki ga povzroči elastični povratni učinek kitove tolšče, ki se stisne in raztegne ob vsakem zamahu repa, prihraniti do 20 odstotkov porabljene energije med dolgimi obdobji neprekinjenega plavanja.«

Kitovo tolščo uporabljajo že stoletja, pa je šele pred kratkim prišlo na dan, da je približno polovica vsebine sestavljena iz kompleksne mreže kolagenskih vlaken, ovitih okoli vsake živali. Čeprav znanstveniki še vedno skušajo dognati delovanje te mešanice, sestavljene iz maščobe, menijo, da so odkrili še en čudežen proizvod, ki bi se ga lahko uporabilo na mnogo koristnih načinov, če bi ga izdelovali sintetično.

Osemnožni inženirski genij

V zadnjih letih znanstveniki zelo podrobno preučujejo tudi pajka. Zelo radi bi razumeli, kako pajek izdeluje svojo nit, ki je tudi kompozit. Res je, veliko žuželk izdeluje nit, vendar pa je pajkova nit nekaj posebnega. Je eden najmočnejših materialov na zemlji, »je sanjska snov«, je dejal neki znanstveni pisec. Pajkova nit je tako izredna, da bi se seznam njenih osupljivih lastnosti zdel neverjeten.

Zakaj znanstveniki uporabljajo presežnike, ko opisujejo pajkovo nit? Poleg tega, da je petkrat močnejša od jekla, je tudi zelo elastična, kar je pri materialih redka kombinacija. Razteza  se za 30 odstotkov bolj od najbolj elastičnega najlona. Vendar pa se reči na njej ne odbijajo kakor na trampolinu, zato pajkovega obroka ne vrže v zrak. »V človeškem merilu,« pravi Science News, »bi pajkova mreža podobna ribiški mreži lahko ujela potniško letalo.«

Zamislite si, kaj vse bi lahko naredili, če bi lahko posnemali pajkovo kemično čudo – dve vrsti pajkov izdelujeta celo sedem različnih niti! Naj omenimo samo nekaj možnosti: izredno izboljšani varnostni pasovi, pa tudi kirurške niti, umetne vezi, lahke vrvice in vrvi ter neprebojni materiali. Znanstveniki se tudi trudijo razumeti, kako pajek izdeluje nit tako učinkovito – in brez uporabe strupenih kemikalij.

Naravni menjalniki in reaktivni motorji

Menjalniki in reaktivna letala ohranjajo današnji svet v gibanju. Toda ali ste vedeli, da nas je tudi pri teh stvaritvah narava prehitela? Vzemimo na primer menjalnik. Z njim lahko v vozilu menjujete prestave, tako da najučinkoviteje izkoristite motor. Naravni menjalnik naredi enako, toda motorja ne poveže s kolesi. Namesto tega poveže krila s krili! In kje ga lahko najdete? V navadni muhi. Muha ima tristopenjski menjalnik, povezan s krili, kar ji omogoča, da v zraku prestavlja!

Ligenj, hobotnica in brodnik imajo vsi neko obliko reaktivnega pogona, ki jih poganja v vodi. Znanstveniki tem reaktivcem zavidajo. Zakaj? Ker  so sestavljeni iz mehkih delov, ki se ne morejo polomiti in ki lahko zdržijo v velikih globinah ter delajo tiho in učinkovito. Pravzaprav lahko ligenj, ko beži pred plenilci, z reaktivnim pogonom doseže hitrost 32 kilometrov na uro, »včasih celo poskoči iz vode in na krov ladje«, piše v knjigi Wild Technology.

Da, če si vzamemo le nekaj trenutkov in razmislimo o naravnem svetu, nas to lahko navda s strahospoštovanjem in cenjenjem. Narava je res živa uganka, ki nam zbuja eno vprašanje za drugim: Katera kemična čuda vžigajo lesketajočo se, hladno svetlobo v kresničkah in nekaterih algah? Kako postanejo različne arktične ribe in žabe po tem, ko so pozimi globoko zamrznjene, spet aktivne, ko se odtalijo? Kako lahko kiti in tjulnji brez dihalnih aparatov ostanejo pod vodo tako dolgo? In kako se znova in znova potapljajo v velike globine, ne da bi dobili kesonsko bolezen, bolezen zaradi prehitrega prehoda z velikega pritiska na navadnega? Kako kameleoni in sipe spreminjaj barvo, da se zlijejo z okoljem? Kako kolibri prečkajo Mehiški zaliv z manj kot tremi grami goriva? Videti je, da bi seznam vprašanj lahko šel v neskončnost.

Res je, ljudje lahko samo gledamo in se čudimo. Znanstveniki si ob preučevanju narave razvijajo strahospoštovanje, ki »meji na čaščenje«, piše v knjigi Biomimicry.

Za oblikovanostjo – Oblikovalec!

Michael Behe, dekan biokemije, je izjavil, da je eden od rezultatov nedavnih raziskav znotraj žive celice  »glasen, jasen in predirljiv krik ,Oblikovanje!‘«. Dodal je še, da je ta rezultat prizadevanj, da bi preučili celico, »tako nedvoumen in pomemben, da se ga mora uvrstiti med enega od največjih dosežkov v zgodovini znanosti«.

Jasno je, da dokazi za Oblikovalca ustvarjajo probleme tistim, ki vztrajajo pri evolucijski teoriji, saj evolucija ne more razložiti prefinjene oblikovanosti znotraj živih bitij, še zlasti na celični in molekularni ravni. »Obstajajo prepričljivi razlogi,« pravi Behe, »za mišljenje, da bo darvinistična razlaga za življenjske mehanizme vedno težko umljiva.«

V Darwinovih dneh so za živo celico, temelj življenja, menili, da je preprosta, in evolucijska teorija je nastala v tej dobi relativne nevednosti. Toda sedaj je znanost prešla to dobo. Molekularna biologija in bionika sta brez dvoma dokazali, da je celica izredno kompleksen sistem, v katerem je prepolno odličnih, popolnih stvaritev, ob katerih je notranje delovanje naših najbolj izpopolnjenih iznajdb in strojev videti kakor otroška igra.

Sijajna oblikovanost nas vodi v logičen sklep, pravi Behe, »da je življenje oblikoval inteligenten povzročitelj«. Ali potem ni razumno, da ima ta Povzročitelj namen, tudi glede ljudi? Če je temu tako, kakšen je ta namen? In ali lahko izvemo kaj več o samem našem Oblikovalcu? O teh pomembnih vprašanjih bo govoril naslednji članek.

[Podčrtni opombi]

[Okvir na strani 5]

Izumrla muha pomaga pri izboljšavi sončnih kolektorjev

Neki znanstvenik je ob obisku muzeja videl slike izumrle muhe, ohranjene v jantarju, pravi poročilo revije New Scientist. Na očeh muhe je opazil niz mrež in menil, da so te morda pomagale njenim očem ujeti več svetlobe, še zlasti ob zelo poševnih kotih. On in drugi raziskovalci so začeli s poskusi in potrdili svojo slutnjo.

Znanstveniki so kmalu naredili načrte, s katerimi so skušali jedkati isti vzorec mreže na steklo sončnih kolektorjev. Upajo, da bodo tako uspeli s sončnimi kolektorji pridobiti več energije. Morda tako tudi ne bo več treba dragih sledilnih sistemov, s katerimi sedaj sončne kolektorje ohranjajo usmerjene proti soncu. Boljši sončni kolektorji utegnejo pomeniti, da bo potrebnih manj fosilnih goriv, in bo tako manj onesnaževanja – spoštovanja vreden cilj. Jasno je, da nam takšna odkritja pomagajo doumeti, da je narava glavni vir sijajnih stvaritev, ki kar čakajo, da se jih odkrije, razume in, kjer je mogoče, koristno posnema.

[Slika na strani 6]

Zasluge tistemu, komur pripadajo

Leta 1957 je švicarski inženir George de Mestral opazil, da so majhne, trdovratne bodice, ki so se prijele njegovih oblačil, pokrite z drobnimi kaveljčki. Te bodice s kaveljčki je preučil, in kmalu se je njegov ustvarjalni um razvnel. Naslednjih osem let je razvijal sintetični ekvivalent te bodice. Njegovo odkritje je hipoma osvojilo svet in je sedaj zelo znano. Imenuje se velcro (trak z ježkom za zapiranje).

Zamislite si, kako bi se Mestral počutil, če bi svetu povedali, da velcra ni nihče naredil, da je naključno nastal kot rezultat tisočih zapovrstnih nesreč v delavnici. Jasno je, da je pošteno in pravično, da gredo zasluge tistemu, komur pač pripadajo. Človeški izumitelji dobijo patent, ki jim to zagotavlja. Da, videti je, da si ljudje zaslužijo, da se jim za njihove stvaritve pripiše zasluge, da zanje prejmejo finančno nagrado in celo hvalo. In te stvaritve so pogosto posnetki iz narave, slabši od izvirnikov. Ali naj potem naš modri Stvarnik ne bi prejel priznanja za svoje popolne izvirnike?

[Slika na strani 5]

Gram kosti je močnejši od grama jekla

[Vir slike]

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

[Slika na strani 7]

Kitova tolšča omogoča plovnost, daje toplotno izolacijo in je vir rezerv hrane

[Vir slike]

© Dave B. Fleetham/Visuals Unlimited

[Slika na strani 7]

Krokodilova in aligatorjeva koža lahko odbije sulice, puščice in celo svinčene krogle

[Slika na strani 7]

Pajkova nit je petkrat močnejša od jekla, a zelo elastična

[Slika na strani 8]

Možgani žolne so zaščiteni z zelo gosto kostjo, ki deluje kot amortizer

[Slika na strani 8]

Kameleoni spreminjajo barvo, da se zlijejo z okoljem

[Slika na strani 8]

Brodnik ima posebne prekate, ki mu omogočajo, da uravnava svoj vzgon

[Slika na strani 9]

Rubinasti koliber opravi 1000 kilometrov dolgo potovanje z manj kot tremi grami goriva

[Slika na strani 9]

Ligenj uporablja obliko reaktivnega pogona

[Slika na strani 9]

Kemična čuda vžigajo lesketajočo se, hladno svetlobo v kresničkah

[Vir slike]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited