Oppia luonnon esikuvista

”Monet parhaista keksinnöistämme on kopioitu muilta elollisilta, tai ne ovat jo niillä käytössä.” (Phil Gates, Wild Technology)

KUTEN edellisessä kirjoituksessa mainittiin, biomimetiikan tieteenhaara pyrkii tuottamaan monipuolisempia materiaaleja ja laitteita jäljittelemällä luontoa. Luonto valmistaa tuotteensa saastuttamatta, ja ne ovat yleensä mukautuvia ja kevyitä mutta silti uskomattoman vahvoja.

Esimerkiksi luu on vahvempaa kuin samanpainoinen määrä terästä. Mikä on sen salaisuus? Osaksi sen onnistunut muoto, mutta ratkaisevat syyt ovat syvemmällä, molekyylitasolla. ”Elävien organismien toimivuus piilee niiden pienimpien osasten rakenteessa ja kokoonpanossa”, sanoo Phil Gates. Tutkiessaan näitä pienimpiä osasia tutkijat ovat eristäneet aineita, jotka antavat luonnontuotteille luusta silkkiin niiden kadehdittavan vahvuuden ja keveyden. Nämä aineet ovat heidän havaintojensa perusteella erilaisia luonnossa esiintyvien materiaalien yhdistelmiä.

Yhdistelmämateriaalien ihme

Yhdistelmämateriaali on kiinteä, vähintään kahdesta aineesta muodostunut uusi aine, jolla on paremmat ominaisuudet kuin alkuperäisillä aineksilla. Havaintoesimerkistä käy lasikuitu, synteettinen yhdistelmämateriaali eli komposiitti, josta tehdään veneiden runkoja, ongenvapoja, jousia, nuolia ja muita urheiluvälineitä. * Sitä valmistetaan yhdistämällä lasista saatuja hienoja kuituja neste- tai hyytelömäiseen muovimatriisiin (muovina polymeeri). Kun polymeeri kovettuu, lopputuloksena on kevyt, vahva ja joustava komposiitti. Vaihtelemalla kuitu- ja matriisilaatuja saadaan hyvin laaja valikoima tuotteita. Ihmisen valmistamat yhdistelmämateriaalit ovat tietysti vielä alkeellisia verrattuna niihin, joita ihmisissä, eläimissä ja kasveissa on luonnostaan.

Ihmisissä ja eläimissä yhdistelmien perustana eivät ole lasi- tai hiilikuidut, vaan kuitumainen proteiini nimeltä kollageeni, ja nämä yhdistelmät antavat iholle, suolistolle, rustolle, jänteille, luille ja hampaille (hammaskiillettä lukuun ottamatta) niiden lujuuden. *  Eräässä lähdeteoksessa tällaisten kollageenipohjaisten aineiden sanotaan kuuluvan ”korkeatasoisimpiin rakenteiden yhdistelmämateriaaleihin, mitä tunnetaan”.

Ajatellaanpa esimerkiksi jänteitä, jotka liittävät lihakset luihin. Ne ovat ainutlaatuisia paitsi kollageenipohjaisten kuitujensa lujuuden vuoksi myös sen vuoksi, miten nerokkaalla tavalla kuidut punoutuvat yhteen. Kirjassaan Biomimicry Janine Benyus kirjoittaa, että auki purkamaton jänne on ”melkein uskomattoman säännönmukainen kaikilla tasoillaan. Kyynärvarren jänne on kierteinen syykimppu, niin kuin riippusilloissa käytettävä vaijeri. Jokainen yksittäinen syy on itsessään kierteinen kimppu ohuempia syitä. Kukin näistä ohuemmista syistä on kierteinen molekyylikimppu, ja molekyylit ovat tietenkin atomien kierteisiä kimppuja. Taso tasolta tulee esiin kaunis matemaattinen malli.” Hänen mielestään tässä on kyse ”loistavasta insinööritaidosta”. Onko mikään ihme, että  tiedemiehet sanovat luonnosta löytyvien rakenteiden inspiroivan heitä? (Vrt. Job 40:15, 17.)

Kuten mainittiin, ihmisten valmistamat komposiitit kalpenevat luonnonyhdistelmien rinnalla. Synteettiset tuotteet ovat silti merkittäviä. Niiden katsotaankin olevan yksi kymmenestä huomattavimmasta insinööritaidon saavutuksesta kuluneen neljännesvuosisadan ajalta. Esimerkiksi grafiitti- tai hiilikuituihin pohjautuvat komposiitit ovat tuottaneet uuden sukupolven ilmailu- ja avaruusalusten osia, urheiluvälineitä, Formula 1 -autoja, huvipursia ja kevyitä raajaproteeseja, mainitaksemme vain muutamia tämän nopeasti kasvavan alan tuotteista.

Valaan monipuolinen ihmerasva

Valaat ja delfiinit ovat tietämättään ainutlaatuisen rasvakudoksen peittämiä. ”Valaan rasva on kenties monipuolisin materiaali, mitä tunnemme”, sanotaan eräässä biomimetiikkaa käsittelevässä kirjassa (Biomimetics: Design and Processing of Materials). Perusteluina siinä esitetään, että se on erinomainen kellute ja helpottaa siten valaiden nousua pintaan hengittämään. Se toimii tehokkaana lämmöneristeenä näille tasalämpöisille nisäkkäille valtameren kylmyyttä vastaan. Se on myös parasta mahdollista vararavintoa tuhansien kilometrien vaellusmatkoilla, joiden aikana valaat eivät syö. Rasvasta saa pari kolme kertaa enemmän energiaa kuin vastaavasta määrästä proteiinia ja sokeria.

”Valaan rasvakudos on myös erittäin kimmoisaa, kumimaista ainetta” edellä mainitun kirjan mukaan. ”Tarkimpien arvioidemme mukaan vauhdin lisäys, jonka rasvan elastinen liike tuottaa sen puristuessa kokoon ja laajetessa jokaisella pyrstöniskulla, saattaa säästää jopa 20 prosenttia energiaa pitkillä uintimatkoilla.”

Valaita on pyydetty niiden rasvan takia satojen vuosien ajan, mutta vasta äskettäin on havaittu, että noin puolet rasvakudoksen tilavuudesta koostuu monimutkaisesta kollageenisäikeiden verkosta, joka ympäröi eläintä. Tutkijat yrittävät edelleen selvittää tämän rasvaseoksen ominaisuuksia, mutta uskovat löytäneensä jälleen yhden hämmästyttävän tuotteen, jolla olisi monia hyödyllisiä sovelluksia synteettisesti valmistettuna.

Kahdeksanjalkainen rakennustaituri

Tiedemiehet ovat viime vuosina tutkineet hyvin tarkkaan myös hämähäkkiä. Heitä kiinnostaa tietää, miten se valmistaa seittilankaansa, joka myös on yhdistelmämateriaali. Vastaavaa silkkiainetta valmistavat monet muutkin hyönteiset, mutta hämähäkin tuote on omaa luokkaansa. Maapallon vahvimpiin kuuluvana materiaalina se on ”unelmien ainetta” erään tiedekirjoittajan mukaan. Hämähäkin lanka on niin ainutlaatuista, että luettelo sen hämmästyttävistä ominaisuuksista näyttäisi epäuskottavalta.

Miksi tiedemiehet sitten kehuvat  tuota lankaa niin kovasti? Se on viisi kertaa vahvempaa kuin teräs ja lisäksi erittäin joustavaa, mikä on harvinainen ominaisuuksien pari materiaaleissa. Hämähäkin lanka venyy 30 prosenttia enemmän kuin kaikkein joustavin nailon. Se ei kuitenkaan kimmahda takaisin kuin trampoliini, niin että hämähäkin ateria lentäisi ilmaan. Science News -lehdessä verrataan: ”Ihmisen mittakaavassa kalastusverkon tyyppiseen seittiin voisi tarttua matkustajakone.”

Jos osaisimme jäljitellä hämähäkin häikäiseviä kemiallisia taitoja – kaksi lajia valmistaa jopa seitsemää erilaista lankaa – niin voi vain kuvitella, millaista käyttöä niille olisi! Saisimme silloin huomattavasti parempia turvavöitä sekä kirurgisia ompeleita, tekoniveliä, kevyitä johtoja ja kaapeleita ja vielä luodinkestäviä kankaita, vain muutamia mahdollisuuksia mainitaksemme. Tutkijat yrittävät päästä perille myös siitä, miten hämähäkki valmistaa lankaa niin tehokkaasti – ja käyttämättä myrkyllisiä kemikaaleja.

Luonnon vaihdelaatikot ja suihkumoottorit

Vaihdelaatikot ja suihkumoottorit pitävät nykymaailman liikkeessä. Mutta tiesitkö, että luonto ehti edellemme myös näissä keksinnöissä? Otetaanpa esimerkiksi vaihdelaatikko. Sen avulla autossa muutetaan vaihdetta, jotta moottorista saataisiin paras mahdollinen hyöty. Luonnon vaihdelaatikot toimivat samoin. Ne vain eivät yhdistä moottoria renkaisiin, vaan siivet siipiin! Mistä  sellaisen voi löytää? Kärpäsestä. Sillä on kolme vaihdetta siipiin kytkettyinä, minkä ansiosta se voi muuttaa vaihdetta ilmassa!

Kalmarilla, tursaalla ja helmiveneellä on kullakin eräänlainen suihkumoottori, jolla ne reaktioperiaatetta hyödyntäen kulkevat vedessä eteenpäin. Tiedemiehet ovat tästä niille kateellisia. Miksi? Koska tuo ”moottori” koostuu pehmeistä osista, jotka eivät voi mennä rikki, jotka toimivat erittäin syvälläkin ja jotka käyvät äänettömästi ja tehokkaasti. Kalmari voi liikkua yli 30 kilometrin tuntinopeudella paetessaan saalistajia, ja ”joskus se jopa hyppää vedestä ylös laivojen kannelle”, sanotaan kirjassa Wild Technology.

Jo lyhytkin tuokio luonnon yksityiskohtia mietiskellen voi täyttää meidät syvällä kunnioituksella ja arvostuksella. Luonto on tosiaan elävä arvoitus, joka herättää kysymyksen toisensa perään: Mitkä kemialliset reaktiot sytyttävät tulikärpäsissä ja eräissä levissä kirkkaan, kylmän valon? Miten pohjolan erilaiset kalat ja sammakot virkoavat jälleen toimintaan oltuaan talven kohmeessa? Miten valaat ja hylkeet pystyvät olemaan veden alla pitkiä aikoja ilman hengityslaitteita? Entä miten ne tämän tästä sukeltavat syvyyksiin saamatta sukeltajantautia? Miten kameleontit ja seepiat vaihtavat väriä sulautuakseen ympäristöön? Miten kolibrit ylittävät Meksikonlahden alle kolmella grammalla polttoainetta? Tuntuu siltä, että luetteloa voisi jatkaa loputtomiin.

Ihmiset voivat vain katsoa ja ihmetellä. Kirjan Biomimicry mukaan luonnon tutkiminen herättää tiedemiehissä ”lähes harrasta kunnioitusta”.

 Rakenteiden takana Suunnittelija!

Biokemian dosentin Michael Behen mukaan elävää solua koskevien viimeaikaisten havaintojen yhtenä tuloksena on ”voimakas, selvä, läpitunkeva huuto: ’Suunniteltu!’” Hän sanoi, että tämä solututkimuksen perusteella tehty päätelmä ”on niin yksiselitteinen ja merkittävä, että se täytyy luokitella tieteenhistorian suurimpien saavutusten joukkoon”.

Todisteet Suunnittelijasta aiheuttavat tietenkin ongelmia niille, jotka pitävät tiukasti kiinni kehitysopista, sillä se ei pysty selittämään elollisten monimutkaisia rakenteita, etenkään solu- ja molekyylitasolla. Behen mukaan ”on pakottavia syitä uskoa, että darvinistinen selitys elämän mekanismeista ei koskaan tule olemaan tyydyttävä”.

Darwinin aikaan elävää solua – elämän perustaa – luultiin yksinkertaiseksi, ja kehitysoppi syntyi tuolla suhteellisen rajallisen tietämyksen aikakaudella. Nykyään tiede on kuitenkin jättänyt nuo ajat taakseen. Molekyylibiologia ja biomimetiikka ovat osoittaneet kiistattomasti, että solu on erittäin monimutkainen järjestelmä täynnä tarkkoja, täydellisiä rakenteita, jotka saavat kaikkein kehittyneimpienkin laitteidemme ja koneidemme toimintamekanismit näyttämään lastenleikiltä niiden rinnalla.

Nerokkaat rakenteet johtavat siihen loogiseen päätelmään, että ”elämän on suunnitellut älykäs tekijä”, kuten Behe sanoo. Eikö tällöin ole järkevää, että tällä Tekijällä on myös tarkoitus, joka koskee ihmisiä? Mikä tuo tarkoitus siinä tapauksessa on? Entä voimmeko oppia tuntemaan paremmin Suunnittelijamme? Näitä tärkeitä kysymyksiä tarkastellaan seuraavassa kirjoituksessa.

[Alaviitteet]

[Tekstiruutu s. 5]

Parempia aurinkopaneeleja sukupuuttoon kuolleen kärpäsen avulla

Käydessään eräässä museossa muuan tiedemies näki kuvia sukupuuttoon kuolleesta kärpäsestä, joka oli säilynyt meripihkassa, kerrotaan New Scientist -⁠lehdessä. Hän pani merkille, että hyönteisen silmissä oli vierekkäisten harjanteiden sarja, ja arveli silmien keräävän niiden avulla enemmän valoa, etenkin valon osuessa silmiin hyvin vinosta kulmasta. Hän alkoi eräiden muiden tutkijoiden kanssa tehdä kokeita, ja oletus vahvistui.

Tiedemiehet alkoivat pikaisesti suunnitella samankaltaisten harjanteiden syövyttämistä aurinkopaneelien lasiin. He toivovat tämän lisäävän paneelien tuottaman energian määrää. Rakenne voisi lisäksi tehdä tarpeettomaksi ne kalliit järjestelmät, joita nykyään tarvitaan, jotta aurinkopaneelit pysyisivät kohdistettuina aurinkoon päin. Paremmat aurinkopaneelit saattavat merkitä fossiilisten polttoaineiden käytön vähenemistä ja siten saasteiden vähenemistä, mikä on ansiokas tavoite. Tämänkaltaisten keksintöjen avulla voimme ymmärtää, että luonto on todellinen aarreaitta täynnä nerokkaita rakenteita, jotka vain odottavat sitä, että ihmiset löytävät ne, ymmärtävät niiden toimintaperiaatteet ja jäljittelevät niitä hyödyllisillä tavoilla mahdollisuuksien mukaan.

[Tekstiruutu s. 6]

Kunnia sille jolle se kuuluu

Vuonna 1957 sveitsiläinen insinööri George de Mestral pani merkille, että hänen vaatteisiinsa takertuneet pienet takiaiset olivat kauttaaltaan pikkuruisten väkästen peitossa. Hän tutki niitä tarkemmin, ja pian hänen luova mielensä lähti lentoon. Seuraavien kahdeksan vuoden ajan hän kehitteli takiaisen synteettistä vastinetta. Hänen keksintönsä valloitti maailman, ja sen tuntevat nykyään kaikki: tarranauha.

Kuvittele, miltä de Mestralista olisi tuntunut, jos maailmalle olisi sanottu, ettei kukaan suunnitellut tuota tarranauhaa – se vain syntyi työpajassa tuhansien perättäisten sattumien tuloksena. On ilman muuta reilua ja oikeudenmukaista, että kunnia annetaan sille, jolle se kuuluu. Keksijät hakevat keksinnöilleen patenttia varmistaakseen tämän. Näyttää siltä, että ihmiset saavat kunniaa, rahapalkintoja ja jopa ylistystä työnsä tuloksista, jotka usein jäljittelevät luontoa yltämättä kuitenkaan samaan. Eikö viisaan Luojamme kuuluisi saada tunnustusta täydellisistä alkuperäiskappaleistaan?

[Kuva s. 5]

Luu on vahvempaa kuin samanpainoinen määrä terästä

[Lähdemerkintä]

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

[Kuva s. 7]

Valaan rasvakerros toimii kellutteena ja lämpöeristeenä ja on sille vararavintona

[Lähdemerkintä]

© Dave B. Fleetham/Visuals Unlimited

[Kuva s. 7]

Krokotiilin ja alligaattorin nahka saa keihäät, nuolet ja jopa luodit kimpoamaan pois

[Kuva s. 7]

Hämähäkin lanka on viisi kertaa vahvempaa kuin teräs, mutta silti erittäin joustavaa

[Kuva s. 8]

Tikan aivoja suojelee erittäin tiivis luu, joka toimii iskunvaimentimena

[Kuva s. 8]

Kameleontit vaihtavat väriä sulautuakseen ympäristöön

[Kuva s. 8]

Helmiveneellä on erityisiä lokeroita, joiden avulla se säätelee kellumistaan

[Kuva s. 9]

Rubiinikurkkukolibri tekee tuhannen kilometrin matkan alle kolmella grammalla polttoainetta

[Kuva s. 9]

Kalmari käyttää eräänlaista suihkumoottoria

[Kuva s. 9]

Kemialliset reaktiot sytyttävät tulikärpäsissä kirkkaan, kylmän valon

[Lähdemerkintä]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited