Við lærum af náttúrunni

„Margar af merkustu uppgötvunum okkar eru þegar notaðar af öðrum lífverum eða apaðar eftir þeim.“ — Phil Gates, Wild Technology.

EINS og fram kom í greininni á undan er það markmið lífhermifræðinnar að gera okkur kleift að búa til flóknari efni og fullkomnari vélar með því að líkja eftir náttúrunni. Náttúran framleiðir vörur sínar án umhverfismengunar og þær eru að jafnaði léttar en þó lygilega sterkar.

Bein eru til dæmis hlutfallslega sterkari en stál. Í hverju liggur leyndardómurinn? Að nokkru leyti er hann fólginn í góðu hönnunarlagi beinanna en meginástæðunnar er að leita á sameindastiginu. Gates segir að „lifandi verur megi þakka velgengni sína hönnun og samsetningu smæstu efnisþáttanna.“ Með því að rýna í þessa smæstu efnisþætti hefur vísindamönnum tekist að einangra efnin sem gefa afurðum náttúrunnar, allt frá silki til beina, sinn eftirsóknarverða styrk og léttleika. Komið hefur í ljós að þessi efni eru trefjablöndur af ýmsu tagi.

Trefjablöndur eru undraefni

Trefjablöndur eru föst efni gerð úr tveim eða fleiri efnum sem samsett skara fram úr efnunum sem þau eru gerð úr. Trefjaplast er ágætis dæmi um trefjablöndu en efnið er gjarnan notað í báta, veiðistengur, boga, örvar og aðrar íþróttavörur. * Það er gert úr afargrönnum glertrefjum sem lagðar eru í vökva- eða hlaupkennt plastefni (kallað fjölliða). Þegar fjölliðan harðnar eða binst er orðið til samsett efni sem er í senn létt, sterkt og sveigjanlegt. Með breytilegu trefja- og bindiefni er hægt að búa til gríðarlega fjölbreyttar blöndur. En trefjablöndur mannanna eru auðvitað grófgerðar í samanburði við trefjablöndur náttúrunnar sem finnast í mönnum, dýrum og jurtum.

Í beinum, tönnum (að glerungi undanskildum), húð, þörmum, brjóski og sinum manna og dýra er grunnefnið ekki gler- eða koltrefjar heldur trefjakennt prótín sem kallast kollagen. *  Heimildarrit kallar kollagentrefjablöndur „einhver háþróuðustu stoðefni sem vitað er um.“

Lítum nánar á sinarnar sem tengja saman vöðva og bein. Sinarnar eru ekki aðeins sérstakar vegna þess hve kollagentrefjarnar í þeim eru seigar heldur einnig vegna þess hve snilldarlega þær eru fléttaðar saman. Janine Benyus bendir á í bókinni Biomimicry að það sé „nánast lygilegt hve nákvæmlega sinarnar séu samfléttaðar á öllum stigum. Framhandleggssinin er eins og samanundið kaðlaknippi, svipað vírunum sem halda uppi hengibrú. Hver einstakur kaðall er svo undinn úr knippi af grennri þráðum. Þessir grönnu þræðir eru undnir saman úr sameindaþráðum og sameindirnar eru auðvitað gerðar úr undnum, gormlaga atómþráðum. Æ ofan í æ birtist stærðfræðileg fegurð.“ Bókarhöfundurinn talar um „verkfræðilegt snilldarverk.“ Er það nokkur furða að vísindamenn skuli hafa á orði að þeir sæki innblástur í hönnunarverk náttúrunnar? — Samanber Jobsbók 40:15, 17.

Eins og fram hefur komið blikna manngerðar trefjablöndur í  samanburði við trefjablöndur náttúrunnar. Gerviefnin eru engu að síður stórmerkileg og eru reyndar talin í hópi tíu mestu verkfræðiafreka síðastliðins aldarfjórðungs. Grafít- eða koltrefjablöndur hafa gefið okkur nýja kynslóð geimflauga- og flugvélahluta, íþróttatækja, formúlu eitt kappakstursbíla, lystisnekkja og léttra gervilima, svo fáein dæmi séu nefnd.

Hvalspik er til margra hluta nytsamlegt

Hvalir og höfrungar hafa enga hugmynd um að líkami þeirra er hjúpaður fituvef sem er í einu orði sagt undrunarverður. „Hvalspik er kannski fjölvirkasta efni sem við þekkjum,“ segir í bókinni Biomimetics: Design and Processing of Materials. Bókin bendir á að hvalspik sé afbragðsgott flotholt og auðveldi hvölunum að koma upp á yfirborðið til að anda. Það er prýðiseinangrun gegn köldu hafinu, en hvalir eru spendýr með jafnheitt blóð eins og kunnugt er. Og fita er tvöfalt til þrefalt orkumeiri en prótín og sykur miðað við þyngd svo að hvalspikið er úrvalsorkuforði á mörg þúsund kílómetra farsundi, en þá nærast hvalir ekki.

„Hvalspik er gúmmíkennt og mjög fjaðurmagnað,“ segir í áðurnefndri bók. „Spikið pressast og teygist með hverju sporðkasti og fjaðurmagnið getur sparað hvalnum allt að 20% þeirrar orku sem hann þarf til knýja sig áfram á stöðugu langsundi, að því er best verður séð núna.“

Þó svo að hvalspik hafi verið nýtt um aldaraðir er ekki langt síðan menn áttuðu sig á því að um það bil helmingurinn af því er flókið kollagennet sem umlykur dýrið. Vísindamenn eru enn að reyna að komast til botns í því hvernig þessi fitu- og trefjablanda virkar, en telja sig þó hafa fundið enn eitt undraefnið sem myndi hafa margs konar notagildi ef framleitt væri sams konar gerviefni.

Áttfættur verkfræðisnillingur

Vísindamenn hafa verið að rannsaka köngulóna ítarlega síðustu árin. Þeim leikur forvitni á að vita hvernig hún framleiðir silkiþráðinn sem er einnig trefjablanda. Reyndar framleiða margar skordýrategundir silki en köngulóarsilkið sker sig úr. Það er eitt af sterkustu efnum sem til er á jörðinni. Vísindarithöfundur kallar það „draumaefni.“ Köngulóarsilki er svo einstakt að mönnum þætti það lyginni líkast að sjá kosti þess talda upp.

Af hverju skyldu vísindamenn nota hástemmd orð þegar þeir lýsa köngulóarsilki? Af því að það er fimmfallt sterkara en stál og afburðateygjanlegt — en það er sjaldgæf blanda. Köngulóarsilki er þriðjungi teygjanlegra en besta nælon. En það skýst ekki til  baka eins og trampólín og þeytir máltíð köngulóarinnar út í loftið. „Þetta er sambærilegt við að veiða farþegaflugvél í vef á stærð við fiskinet,“ segir tímaritið Science News.

Hugsaðu þér hvað hægt væri að gera ef við gætum hermt eftir efnafræðilegri snilligáfu köngulóarinnar — tvær tegundir framleiða jafnvel sjö afbrigði af silki! Við gætum stórbætt öryggisbelti, skurðseymi, gerviliðbönd, kaðla, snúrur og skotheld tauefni, svo fáeinir möguleikar séu nefndir. Vísindamenn eru líka að reyna að komast til botns í því hvernig köngulóin getur framleitt silki á jafnáhrifaríkan hátt og raun ber vitni — án þess að nota eitruð efnasambönd.

Gírkassar og þotuhreyflar náttúrunnar

Gírkassar og þotuhreyflar halda mannkyninu á ferð og flugi. En náttúran var fyrri til. Tökum gírkassann sem dæmi. Við notum gírskiptinguna til að nýta hreyfilafl bílvélarinnar sem best. Þetta gera gírkassar náttúrunnar líka, en þar er hreyfillinn ekki tengdur hjólum heldur vængjum. Húsflugan er dæmi um þetta en hún er með þriggja þrepa gírskiptingu tengda vængjunum og getur skipt um gír á flugi!

Smokkfiskurinn, kolkrabbinn og perlusnekkjan knýja sig áfram í sjónum með þrýstiafli. Þessir „þotuhreyflar“ náttúrunnar eru gerðir úr mjúkum  og óbrjótandi efnum, eru hljóðlausir, orkunýtnir og þola mikinn djúpsjávarþrýsting. Engin furða að vísindamenn skuli líta þá öfundarauga. Smokkfiskur á flótta undan rándýri getur náð rúmlega 30 kílómetra hraða miðað við klukkustund og „þess eru jafnvel dæmi að hann stökkvi upp úr sjónum og upp á þilfar á skipi,“ að sögn bókarinnar Wild Technology.

Við getum ekki annað en fyllst lotningu og undrun þegar við virðum umheiminn fyrir okkur. Náttúran er lifandi ráðgáta sem kveikir eina spurningu af annarri: Hvaða efnaferli nota eldflugur og þörungar til að kveikja skært, kalt ljós? Hvernig fara sumir heimskautafiskar og froskar að því að lifna á nýjan leik í vorþíðunni eftir að hafa gaddfrosið að vetri? Hvernig geta hvalir og selir kafað langtímum saman án köfunarbúnaðar? Og hvernig geta þeir kafað hvað eftir annað niður á hyldýpi án þess að fá kafaraveiki? Hvernig fara kameljón og smokkfiskar að því að skipta litum til að falla inn í umhverfið? Hvernig komast kólibrífuglar yfir Mexíkóflóa á innan við þrem grömmum af eldsneyti? Spurningarnar eru endalausar.

Við mennirnir getum lítið annað en horft á með undrunaraugum. Bókin Biomimicry segir að vísindamenn fyllist aðdáun „sem jaðrar við lotningu“ þegar þeir rannsaka náttúruna.

Hönnuður að baki hönnun!

Michael Behe, sem er aðstoðarprófessor í lífefnafræði, segir að nýlegar rannsóknir á frumunni hafi skilað  einni niðurstöðu sem er „skýr, ákveðin og afdráttarlaus: Hönnun!“ Hann bætir við að þessi rannsóknarárangur sé „svo ótvíræður og svo þýðingarmikill að það verði að telja hann eitt af stærstu afrekum í sögu vísindanna.“

Það er skiljanlegt að ummerkin um hönnuð skuli setja þá sem aðhyllast þróunarkenninguna í nokkra klípu, því að þróunarkenningin getur ekki skýrt hina flóknu hönnun í lífríkinu, sér í lagi á sameinda- og frumustiginu. Prófessor Behe bendir á að það séu „sterk rök fyrir því að darvinisminn dugi aldrei til að skýra gangvirki lífsins.“

Þróunarkenningin varð til á tímum Darwins þegar þekking manna var takmörkuð og fruman — undirstaða lífsins — var álitin ósköp einföld. En sá tími er liðinn og sameindalíffræðin og lífhermifræðin hafa sannað umfram allan vafa að fruman er geysiflókið kerfi, stútfullt af svo frábærri og fullkominni hönnun að innviðir flóknustu véla og tækja, sem við ráðum yfir, eru eins og barnaleikföng í samanburði.

Þegar horft er á hina snjöllu hönnun, sem fyrirfinnst í náttúrunni, er það rökrétt ályktun að „lífið sé hannað af vitsmunaveru,“ segir Behe. Er þá ekki rökrétt að þessi vitsmunavera hafi líka einhvern tilgang með verki sínu, tilgang sem nær til okkar mannanna? Og hver er þá þessi tilgangur? Er hægt að fá nánari upplýsingar um þennan hönnuð? Svörin er að finna í næstu grein.

[Neðanmáls]

[Rammagrein á blaðsíðu 5]

Útdauð fluga bætir sólfangara

Tímaritið New Scientist segir frá því að vísindamaður hafi verið að skoða safn og rekið augun í myndir af útdauðri flugu í rafklumpi. Hann veitti athygli samsíða, upphleyptum rifflum á augum flugunnar og datt í hug að þær hefðu aukið ljósnæmi augans, einkum þegar ljósið féll á þau undir mjög litlu horni. Tilraunir hans og annarra rannsóknarmanna staðfesti þetta hugboð.

Vísindamenn ákváðu strax að reyna að móta sams konar rifflur í glerið á sólföngurum (sólarrafhlöðum) í von um að auka orkuframleiðslu þeirra. Hugsanlegt er talið að með þessari aðferð sé hægt að gera hinn dýra eltibúnað óþarfan sem er nauðsynlegur núna til að snúa sólföngurum að sólu. Með betri sólföngurum kann að vera hægt að draga úr notkun jarðefnaeldsneytis og mengun, sem er verðugt markmið. Uppgötvanir sem þessi sýna okkur fram á að náttúran er auðug náma full af snjöllum hönnunarlausnum sem bíða þess að við leitum þær uppi, skiljum þær og líkjum eftir þeim í nytsamlegum tilgangi ef hægt er.

[Rammagrein á blaðsíðu 6]

Þeim heiður sem heiður ber

Svissneski verkfræðingurinn George de Mestral veitti því athygli að smágerð aldin, sem festust við fötin hans, voru alsett örsmáum krókum. Þetta var árið 1957. Hann tók að rannsaka aldinin og krókana og innan skamms var hugurinn kominn á fulla ferð. Næstu átta árin vann hann að því að búa til gerviefni sem líkti eftir krókaldininu. Uppfinning hans tók heiminn með áhlaupi og nú þekkja allir franska rennilásinn.

Hvernig heldurðu að George de Mestral hefði orðið við ef heiminum hefði verið sagt að það hefði enginn hannað franska rennilásinn heldur hefði hann orðið til af sjálfu sér vegna mörg þúsund tilviljana á rannsóknarstofu? Það er sjálfsögð sanngirni og réttlæti að gefa þeim heiður sem heiður ber. Menn eru vanir að fá einkaleyfi á uppfinningum sínum til að tryggja það. Mennirnir eru taldir verðskulda heiður, fjárhagslega umbun og jafnvel hrós fyrir sköpunarverk sín sem eru oft lélegar eftirlíkingar af því sem er fyrir í ríki náttúrunnar. Ætti ekki skaparinn að fá viðurkenningu fyrir hinar fullkomnu frummyndir sínar?

[Mynd á blaðsíðu 5]

Bein eru hlutfallslega sterkari en stál.

[Credit line]

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

[Mynd á blaðsíðu 7]

Hvalspik virkar eins og flotholt, einangrun og orkuforði.

[Credit line]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[Mynd á blaðsíðu 7]

Krókódílaskrápur er svo sterkur að spjót, örvar og jafnvel byssukúlur hrökkva af honum.

[Mynd á blaðsíðu 7]

Köngulóarsilki er fimmfalt sterkara en stál en samt ótrúlega teygjanlegt.

[Mynd á blaðsíðu 8]

Heili spætunnar er varinn afar þéttu beini sem virkar eins og höggdeyfir.

[Mynd á blaðsíðu 8]

Kameljón breyta um lit til að falla inn í umhverfið.

[Mynd á blaðsíðu 8]

Perlusnekkjan er með hólfum sem hún notar til að breyta uppdrifi sínu.

[Mynd á blaðsíðu 9]

Mánabríinn flýgur 1000 kílómetra leið á innan við þrem grömmum af eldsneyti.

[Mynd á blaðsíðu 9]

Smokkfiskurinn knýr sig áfram með þrýstiafli.

[Mynd á blaðsíðu 9]

Eldflugur kveikja skært, kalt ljós með efnafræðilegum aðferðum.

[Credit line]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited