Přejít k článku

Přejít na obsah

Učíme se z konstrukčních řešení v přírodě

Učíme se z konstrukčních řešení v přírodě

 Učíme se z konstrukčních řešení v přírodě

„Mnoho našich nejlepších vynálezů je kopií živé přírody nebo to příroda již používá.“ (Phil Gates, Wild Technology)

V PŘEDCHOZÍM článku bylo uvedeno, že cílem vědeckého oboru biomimetika je vytvářet komplexnější materiály a stroje napodobováním přírody. Přírodní produkty vznikají bez znečišťování, jsou pružné a lehké, ale přesto neuvěřitelně pevné.

Například jeden gram kosti je pevnější než stejné množství oceli. V čem tkví toto tajemství? Částečně je to v dobře zkonstruovaném tvaru, ale hlavní důvod leží hlouběji — na molekulární úrovni. „Zdařilost živých organismů spočívá v jejich konstrukčním řešení a ve způsobu, jakým jsou složeny jejich nejmenší složky,“ vysvětluje Phil Gates. Pozorováním těchto nejmenších složek se tedy vědcům podařilo izolovat látky, které přírodním produktům — kostmi počínaje a hedvábím konče — dávají záviděníhodnou pevnost a lehkost. Těmito látkami jsou různé formy přírodních kompozitních materiálů.

Neobyčejné kompozitní materiály

Kompozity jsou pevné látky, které vzniknou sloučením dvou nebo více složek, takže se vytvoří nová látka s lepšími vlastnostmi, než byly původní složky. Můžeme si to ukázat na skleněných laminátech, které se obvykle používají při výrobě člunů, rybářských prutů, luků, šípů a dalších sportovních potřeb. Sklolamináty se vyrábějí tak, že se jemná skleněná vlákna dají do tekuté nebo rosolovité tvrditelné pryskyřice (které se říká polymer). Když polymer ztvrdne neboli ztuhne, je výsledkem kompozitní materiál, který je lehký, pevný a pružný. Použitím různých typů vláken a různých pryskyřic lze docílit mimořádně široké škály výrobků. V porovnání s tím, co přirozeně existuje u lidí, zvířat a rostlin, jsou lidmi vyrobené kompozity samozřejmě mnohem primitivnější.

Základem kompozitního materiálu, který u lidí a zvířat zajišťuje pevnost kůže, střev, chrupavek, šlach, kostí a zubů (kromě zubní skloviny), je — na rozdíl od skleněných nebo karbonových vláken — vláknitá bílkovina, která se nazývá kolagen. * Jedna  encyklopedie označuje kompozity obsahující kolagen za „jeden z nejvyspělejších typů konstrukčního kompozitního materiálu, jaký známe“.

Uvažujme například o šlachách, jimiž jsou svaly připojeny ke kostem. Šlachy jsou pozoruhodné nejen pevností svých vláken, které obsahují kolagen, ale také tím, jak obdivuhodně jsou jejich vlákna spletena. Janine Benyusová ve své knize Biomimicry (Biomimikry) píše, že na rozpletené šlaše „je patrná téměř neuvěřitelná preciznost na všech úrovních. Šlacha na našem předloktí je zkroucený svazek lanek podobných kabelům, které se používají u visutých mostů. Každé jednotlivé lanko je zkroucený svazek tenčích lanek. Každé z těchto tenčích lanek je samo o sobě zkrouceným svazkem molekul, které jsou samozřejmě zase spirálovitě zkroucenými svazky atomů. Na každé úrovni se znovu a znovu objevuje matematická krása.“ Autorka říká, že je to „technická brilantnost“. Můžeme se snad divit, když vědci říkají, že se nechávají inspirovat konstrukčními řešeními v přírodě? (Srovnej Joba 40:15, 17.)

 Jak již bylo uvedeno, kompozitní materiály vyrobené lidmi se s přírodními kompozity nedají srovnat. A přesto jsou i syntetické produkty pozoruhodné. Jsou totiž uvedeny mezi deseti největšími technickými výdobytky za posledních dvacet pět let. Například kompozity vytvořené z grafitových a karbonových vláken vedly k nové generaci materiálů, z nichž se vyrábějí části letadel a kosmických lodí, sportovní potřeby, součásti závodních automobilů Formule 1, jachet a lehkých protéz končetin — když uvedeme jen několik položek z tohoto velmi rychle rostoucího seznamu.

Mnohoúčelový podivuhodný velrybí tuk

Ačkoli si to velryby ani delfíni neuvědomují, jejich tělo je obaleno podivuhodnou tkání — určitým druhem tuku. „Není žádný jiný materiál, který by byl tak mnohoúčelový jako velrybí tuk,“ říká se v knize Biomimetics: Design and Processing of Materials (Biomimetika: Konstrukce a zpracování materiálů). Kniha vysvětluje, čím to je, a dodává, že tento tuk je úžasným plavebním zařízením, které velrybám pomáhá vyplout na hladinu, aby se nadechly. Těmto teplokrevným zvířatům poskytuje vynikající izolaci proti chladnému oceánu. A tuk je pro velryby také tím nejlepším zdrojem energie, když během některých migrací na vzdálenost několika tisíc kilometrů nepřijímají žádnou potravu. Skutečně, z gramu tuku lze získat dvakrát až třikrát více energie než ze stejného množství bílkovin a cukrů.

„Velrybí tuk je rovněž velmi pružný materiál podobný gumě,“ uvádí výše citovaná kniha. „Podle našeho současného odhadu zrychlení způsobené elastickým pružením tuku, který je při každém úderu ocasní ploutve stlačen a natažen, může při dlouhých obdobích nepřetržitého plavání ušetřit až dvacet procent energie.“

Již po staletí se velryby loví kvůli tuku, ale teprve nedávno se ukázalo, že asi polovinu objemu tuku tvoří složitá síť kolagenových vláken, která je kolem celého zvířete. Ačkoli vědci stále ještě studují, jak tento tukový kompozit funguje, jsou již přesvědčeni, že objevili další zázračný produkt, který by měl v mnoha směrech praktické využití, pokud by byl vyroben synteticky.

Osminohý technický génius

V posledních letech vědci velmi podrobně zkoumají také pavouka. Intenzivně se snaží poznat, jak pavouk vyrábí vlákno, které je také kompozitním materiálem. Je sice pravda, že vlákna tvoří celá řada hmyzu, ale vlákno pavouků je v mnoha ohledech mimořádné. Je to jeden z nejpevnějších materiálů na zemi a jistý autor vědecko-populární literatury řekl, že to „je fantastická látka“. Pavoučí vlákno je tak mimořádné, že se výčet jeho skvělých vlastností zdá být až neuvěřitelný.

Proč používají vědci při popisování pavoučího vlákna superlativy? Toto  vlákno je nejen pětkrát pevnější než ocel, ale je také velmi pružné — což je vzácná kombinace. Pavoučí vlákno se natáhne o třicet procent více než nejpružnější nylon, přesto však pavoučí síť není jako trampolína, aby pavoukovi vymrštila potravu do vzduchu. „V lidském měřítku je to, jako kdyby síť na ryby dokázala zachytit osobní letadlo,“ říká časopis Science News.

Představte si, jak by se to dalo využít, kdybychom dokázali napodobit pavoučí chemické kouzelnictví — vždyť existují dva druhy pavouků, kteří vytvářejí dokonce sedm typů vláken. Byly by to například zdokonalené bezpečnostní pásy, ale také chirurgický šicí materiál, umělé vazy, lehká lana a kabely a neprůstřelné tkaniny. Vědci se rovněž snaží zjistit, jak je možné, že pavouk je při výrobě vláken — a to dokonce bez použití toxických chemických látek — tak výkonný.

Převodovky a tryskové motory v přírodě

Dnešní svět je díky převodovkám a tryskovým motorům stále v pohybu. Věděli jste ale, že i v tomto konstrukčním řešení nás příroda předběhla? Vezměme si například převodovku. Převodovka umožňuje řadit rychlosti ve vašem vozu tak, aby motor pracoval co nejúčinněji. Převodovky v přírodě dělají totéž, ale nespojují motor s koly. Spojují totiž křídlo s křídlem. A kde je můžeme najít? U obyčejné mouchy. Moucha má křídla spojená  třírychlostní převodovkou, a to jí umožňuje za letu měnit rychlosti.

Oliheň, chobotnice a loděnka, ti všichni mají určitou formu tryskového pohonu, pomocí kterého se pohybují ve vodě. Vědci se na tyto motory dívají se závistí. Proč? Protože se skládají z měkkých částí, které jsou nerozbitné, snesou velké hloubky a fungují tiše a výkonně. Oliheň prchající před dravci může dosáhnout rychlosti až třicet dva kilometry v hodině, a „někdy dokonce vyskočí z vody na palubu lodi,“ říká kniha Wild Technology.

Ano, už jen krátké zamyšlení nad světem přírody nás může naplnit bázní a oceněním. Příroda je skutečně živou hádankou, která vyvolává jednu otázku za druhou: Jaké chemické zázraky vytvářejí třpytivé, studené světlo světlušek a některých druhů řas? Jak to, že různé druhy arktických ryb a žab v zimě úplně zmrznou, ale když roztají, jsou opět aktivní? Jak to velryby, tuleni a lachtani dělají, že bez dýchacího přístroje dokážou být dlouhou dobu pod vodou? A jak to dělají, že se opakovaně potápějí do velkých hloubek, aniž dostanou kesonovou nemoc? Jak chameleoni a sépie mění svou barvu tak, aby splynuli s okolím? Jak může kolibřík přeletět Mexický záliv, když má méně než tři gramy pohonných látek? Zdá se, že výčet otázek by mohl pokračovat donekonečna.

Skutečně, lidé se mohou jen dívat a žasnout. Kniha Biomimicry říká, že při studiu přírody vzniká u vědců respekt „hraničící s hlubokou úctou“.

Konstrukce má Konstruktéra

Mimořádný profesor biochemie Michael Behe uvedl, že výsledkem nejnovějších  objevů v živých buňkách „je hlasité, jasné a pronikavé provolání, že buňka je výsledkem ‚konstrukce‘ “. Profesor dodal, že tento závěr vyplývající ze studia buňky „je tak jednoznačný a tak významný, že jej lze zařadit mezi největší úspěchy v historii vědy“.

Těm, kdo lpí na evoluční teorii, pochopitelně doklady o existenci Konstruktéra přinášejí určité problémy, protože pro složitá konstrukční řešení v živé přírodě, zvláště na buněčné a molekulární úrovni, evoluce nemá vysvětlení. „Existují závažné důvody pro to,“ říká profesor Behe, „abychom darwinovské vysvětlení mechanismů v živé přírodě pokládali za absolutně nespolehlivé.“

V Darwinově době se vědci domnívali, že živá buňka — základ života — je jednoduchá, a v tom období relativní neznalosti vznikala evoluční teorie. Věda je však dnes mnohem dál. Molekulární biologie a biomimetika prokázaly nade vší pochybnost, že buňka je mimořádně komplikovaný systém s velkým množstvím nádherných, dokonalých konstrukčních řešení, vedle kterých činnost i těch nejdůvtipnějších přístrojů a strojů vypadá jako hračka pro děti.

Skvělá konstrukční řešení nás vedou k logickému závěru, říká profesor Behe, že „život plánovitě vytvořil nějaký inteligentní činitel“. Není tedy rozumné předpokládat, že tento Činitel má také nějaký záměr vzhledem k lidem? Pokud ano, jaký záměr to je? A můžeme se o tomto Konstruktérovi dovědět víc? Tyto závažné otázky bude zkoumat následující článek.

[Poznámka pod čarou]

^ 7. odst. Základem rostlinných kompozitů není kolagen, ale celulóza. Díky celulóze má dřevo jako stavební materiál řadu žádoucích vlastností. Celulóza je popisována jako „materiál, který má bezkonkurenční pevnost v tahu“.

[Rámeček na straně 5]

Vyhynulá moucha pomáhá zlepšit solární panely

Podle zprávy v časopise New Scientist jistý vědec viděl při návštěvě muzea obrázky jedné vyhynulé mouchy, která se uchovala v jantaru. Všiml si, že na oku tohoto hmyzu je řada mřížek, a předpokládal, že oku mouchy to umožňovalo zachytit více světla, a to zvláště světla dopadajícího pod velmi šikmým úhlem. Tento vědec a další výzkumní pracovníci začali provádět pokusy a jejich předpoklad se potvrdil.

Vědci brzy vytvořili plány, jak vyleptat stejný typ mřížkování do skleněných solárních panelů. Doufají, že se tím zvýší množství energie, kterou solární panely vytvářejí. Také by již nebyly nutné drahé sledovací soustavy, které jsou v současné době zapotřebí k tomu, aby se panely otáčely proti slunci. Lepší solární panely znamenají nižší spotřebu fosilního paliva, a tedy i menší znečištění — což je hodnotný cíl. Objevy, jako je tento, nám pomáhají si uvědomit, že příroda je opravdovým zdrojem skvělých konstrukčních řešení, které pouze čekají na to, až je člověk objeví, pochopí, a pokud to bude možné, i užitečným způsobem napodobí.

[Rámeček na straně 6]

Připsat zásluhu tomu, komu po právu náleží

V roce 1957 si švýcarský inženýr George de Mestral všiml, že povrch malých přilnavých semínek s ostnatým obalem, která se mu přichytila na šaty, je pokryt mnoha drobnými háčky. Začal tato semena a jejich háčky studovat a v jeho tvořivé mysli se brzy zrodil nápad. Osm let strávil vývojem syntetické napodobeniny tohoto ostnatého obalu. Jeho vynález dobyl svět a je nyní známý jako suchý zip.

Představte si, jak by se asi George de Mestral cítil, kdyby svět prohlásil, že suchý zip nikdo nevynalezl a že k tomu došlo v důsledku řetězce tisíců náhod v dílně. Samozřejmě je čestné a spravedlivé vyžadovat, aby zásluha byla připsána tomu, komu po právu náleží. Lidští vynálezci si to zajišťují tím, že si opatří patent. Ano, zdá se, že za své výtvory, které jsou často jen méně kvalitní napodobeninou věcí v přírodě, si lidští vynálezci zaslouží uznání, finanční odměnu, a dokonce chválu. Neměl by i náš moudrý Stvořitel dostat uznání za své dokonalé originály?

[Obrázek na straně 5]

Jeden gram kosti je pevnější než stejné množství oceli

[Podpisek]

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

[Obrázek na straně 7]

Tuk velrybu nadnáší, tepelně izoluje a poskytuje jí zásoby potravy

[Podpisek]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[Obrázek na straně 7]

Od kůže krokodýla a aligátora se může odrazit oštěp, šípy, a dokonce i kulky

[Obrázek na straně 7]

Pavoučí vlákno je pětkrát pevnější než ocel, a přitom je velmi pružné

[Obrázek na straně 8]

Mozek datla je chráněn velmi hutnou kostí, která funguje jako tlumič nárazů

[Obrázek na straně 8]

Chameleoni mění svou barvu tak, aby splynuli s okolím

[Obrázek na straně 8]

Loděnka má zvláštní komory, pomocí kterých reguluje svůj vztlak

[Obrázek na straně 9]

Kolibřík červený uletí tisíc kilometrů s méně než třemi gramy pohonných látek

[Obrázek na straně 9]

Oliheň používá určitou formu tryskového pohonu

[Obrázek na straně 9]

Chemické zázraky vytvářejí třpytivé, studené světlo světlušek

[Podpisek]

© Jeff J. Daly/Visulas Unlimited