Μαθαίνοντας από τα Σχέδια που Υπάρχουν στη Φύση

«Πολλές από τις καλύτερες εφευρέσεις μας είναι αντιγραφές ή χρησιμοποιούνται ήδη από άλλα έμβια όντα».​—Φιλ Γκέιτς, Ανεξέλεγκτη Τεχνολογία (Wild Technology).

ΟΠΩΣ αναφέρθηκε στο προηγούμενο άρθρο, στόχος της επιστήμης της βιομιμητικής είναι να παράγει πολυπλοκότερα υλικά και μηχανήματα μιμούμενη τη φύση. Η φύση κατασκευάζει τα συνήθως ανθεκτικά, ελαφριά και, ωστόσο, απίστευτα γερά προϊόντα της χωρίς να ρυπαίνει.

Λόγου χάρη, αναλογικά τα οστά είναι πιο γερά από το ατσάλι. Ποιο είναι το μυστικό τους; Εν μέρει, αυτό οφείλεται στο καλοσχεδιασμένο σχήμα τους, αλλά οι κύριοι λόγοι βρίσκονται ακόμα βαθύτερα​—σε μοριακό επίπεδο. «Η επιτυχία των έμβιων όντων έγκειται στο σχεδιασμό και στη συναρμολόγηση των πιο μικρών συστατικών τους», εξηγεί ο Γκέιτς. Εξετάζοντας αυτά τα πιο μικρά συστατικά, οι επιστήμονες έχουν απομονώσει τις ουσίες που δίνουν στα φυσικά προϊόντα, από τα οστά ως το μετάξι, την αξιοζήλευτη ανθεκτικότητα και το μικρό βάρος τους. Ανακάλυψαν ότι αυτές οι ουσίες είναι διάφορες μορφές φυσικών σύνθετων υλικών.

Το Θαύμα των Σύνθετων Υλικών

Με τον όρο σύνθετα υλικά αναφερόμαστε σε στερεά υλικά τα οποία δημιουργούνται όταν δύο ή περισσότερες ουσίες συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια νέα ουσία με ιδιότητες ανώτερες από εκείνες των αρχικών συστατικών τους. Αυτό φαίνεται καθαρά στο συνθετικό φάιμπεργκλας, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στα κύτη σκαφών, στα καλάμια ψαρέματος, στα τόξα, στα βέλη και σε άλλα αθλητικά προϊόντα. a Το φάιμπεργκλας κατασκευάζεται με την τοποθέτηση λεπτών γυάλινων ινών σε ένα υγρό ή παχύρρευστο πλαστικό περίβλημα (που ονομάζεται πολυμερές). Όταν το πολυμερές σκληρύνει ή πήξει, το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα ελαφρύ, ανθεκτικό και εύκαμπτο σύνθετο υλικό. Αλλάζοντας τα είδη των ινών και του πλαστικού, μπορεί να κατασκευαστεί μια ατέλειωτη ποικιλία προϊόντων. Ασφαλώς, τα ανθρωποποίητα σύνθετα υλικά εξακολουθούν να είναι κατώτερα από εκείνα που υπάρχουν σε φυσική κατάσταση στους ανθρώπους, στα ζώα και στα φυτά.

Στους ανθρώπους και στα ζώα, η βάση για τα σύνθετα υλικά που κάνουν ανθεκτικό το δέρμα, τα έντερα, το χόνδρο, τους τένοντες, τα οστά και τα δόντια (εκτός από το σμάλτο) δεν είναι οι ίνες γυαλιού ή άνθρακα αλλά μια ινώδης πρωτεΐνη που ονομάζεται κολλαγόνο. b Κάποιο σύγγραμμα κατατάσσει τα σύνθετα υλικά που βασίζονται στο κολλαγόνο «στα πιο εξελιγμένα δομικά σύνθετα υλικά που γνωρίζουμε».

Για παράδειγμα, σκεφτείτε τους τένοντες,  οι οποίοι συνδέουν τους μυς με τα οστά. Οι τένοντες είναι εκπληκτικοί, όχι μόνο για την αντοχή των ινών τους που βασίζονται στο κολλαγόνο, αλλά επίσης λόγω του εξαίσιου τρόπου με τον οποίο είναι πλεγμένες αυτές οι ίνες. Στο βιβλίο της Βιομιμητική (Biomimicry), η Τζανίν Μπένιους γράφει ότι, αν αναλύσουμε το πλέγμα των ινών ενός τένοντα, θα διαπιστώσουμε ότι «είναι σχεδόν απίστευτη η τέλεια ακρίβειά του. Ο τένοντας στον πήχη του χεριού σας είναι μια συνεστραμμένη δέσμη σχοινιών, σαν αυτά που χρησιμοποιούνται σε μια κρεμαστή γέφυρα. Το καθένα από αυτά τα σχοινιά αποτελείται από μια συνεστραμμένη δέσμη λεπτότερων σχοινιών. Το καθένα από αυτά τα λεπτότερα σχοινιά αποτελείται από μια συνεστραμμένη δέσμη μορίων τα οποία είναι, ασφαλώς, συνεστραμμένες, ελικοειδείς δέσμες ατόμων. Ξανά και ξανά, αποκαλύπτεται ένα μαθηματικό θαύμα». Όπως λέει η ίδια, πρόκειται για «μηχανολογικό αριστούργημα». Μήπως, λοιπόν, μας εκπλήσσει το γεγονός ότι οι επιστήμονες εμπνέονται, όπως λένε, από τα σχέδια της φύσης;​—Παράβαλε Ιώβ 40:15, 17.

Όπως αναφέραμε, τα ανθρωποποίητα σύνθετα υλικά ωχριούν συγκρινόμενα με εκείνα της φύσης. Εντούτοις, τα συνθετικά υλικά είναι καταπληκτικά προϊόντα. Μάλιστα, κατατάσσονται ανάμεσα στα δέκα πιο σημαντικά μηχανολογικά επιτεύγματα των τελευταίων 25 ετών. Για παράδειγμα, τα  σύνθετα υλικά που βασίζονται στις ίνες γραφίτη ή άνθρακα έχουν οδηγήσει σε νέες γενιές εξαρτημάτων για αεροπλάνα και διαστημόπλοια, αλλά και σε νέες γενιές αθλητικών προϊόντων, αγωνιστικών αυτοκινήτων της Φόρμουλα Ένα, θαλαμηγών και ελαφριών τεχνητών μελών για ακρωτηριασμένα άτομα​—για να αναφέρουμε μόνο λίγα από τα αντικείμενα ενός καταλόγου που διαρκώς μεγαλώνει.

Λίπος Φάλαινας​—Θαυματουργό, Πολλαπλά Χρήσιμο Υλικό

Οι φάλαινες και τα δελφίνια δεν το γνωρίζουν, αλλά τα σώματά τους είναι τυλιγμένα σε ένα θαυματουργό ιστό​—ένα στρώμα λίπους. «Από όλα τα υλικά που γνωρίζουμε, το λίπος της φάλαινας είναι πιθανώς το πιο πολλαπλά χρήσιμο», λέει το βιβλίο Βιομιμητική: Σχεδιασμός και Επεξεργασία Υλικών (Biomimetics: Design and Processing of Materials). Εξηγώντας γιατί, προσθέτει ότι αυτό το λίπος είναι μια θαυμαστή συσκευή πλευστότητας, η οποία βοηθάει τις φάλαινες να ανεβαίνουν στην επιφάνεια του νερού για να αναπνεύσουν. Παρέχει σε αυτά τα θερμόαιμα θηλαστικά εξαιρετική μόνωση από την παγωνιά του ωκεανού. Είναι επίσης το καλύτερο δυνατό απόθεμα τροφής όταν μεταναστεύουν χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά χωρίς να τρώνε. Πράγματι, αναλογικά το λίπος δίνει διπλάσια ή τριπλάσια ενέργεια από ό,τι οι πρωτεΐνες και τα σάκχαρα.

«Το λίπος αυτό είναι επίσης πολύ εύκαμπτο και ελαστικό υλικό», επισημαίνει το παραπάνω βιβλίο. «Σύμφωνα με τους καλύτερους τρέχοντες υπολογισμούς μας, η επιτάχυνση που επιτυγχάνεται χάρη στην ελαστική παλινδρόμηση του λίπους το οποίο συμπιέζεται και τεντώνεται με κάθε χτύπημα της ουράς μπορεί να εξοικονομεί μέχρι και 20% της ενέργειας που καταναλώνεται σε παρατεταμένες περιόδους συνεχούς κολύμβησης».

Το λίπος της φάλαινας το χρησιμοποιούν οι άνθρωποι εδώ και αιώνες, αλλά μόνο τελευταία διαπιστώθηκε ότι αυτό το λίπος αποτελείται σχεδόν κατά το ήμισυ από ένα πολύπλοκο πλέγμα ινών κολλαγόνου το οποίο είναι τυλιγμένο γύρω από κάθε φάλαινα. Μολονότι οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμα να αποκρυπτογραφήσουν τις λειτουργίες αυτού του λιπώδους σύνθετου υλικού, πιστεύουν ότι έχουν ανακαλύψει άλλο ένα θαυματουργό προϊόν το οποίο θα είχε πολλές χρήσιμες εφαρμογές αν παραγόταν συνθετικά.

Ένα Μηχανολογικό Θαύμα με Οχτώ Πόδια

Στα πρόσφατα χρόνια οι επιστήμονες μελετούν επίσης πολύ προσεκτικά την αράχνη. Ανυπομονούν να κατανοήσουν πώς κατασκευάζει το μεταξωτό νήμα της, το οποίο είναι επίσης σύνθετο υλικό. Πράγματι, πολλά έντομα παράγουν τέτοιο νήμα, ωστόσο το μεταξωτό νήμα της αράχνης είναι κάτι το εξαιρετικό. Είναι ένα από τα πιο ισχυρά υλικά στη γη, «μια ονειρεμένη ουσία», είπε κάποιος επιστημονικός συγγραφέας. Το νήμα της αράχνης είναι τόσο ξεχωριστό ώστε, αν καταρτίζαμε έναν κατάλογο με τα εκπληκτικά χαρακτηριστικά του, θα φαινόταν απίστευτος.

Γιατί οι επιστήμονες μιλάνε με υπέρμετρο θαυμασμό όταν περιγράφουν το νήμα της αράχνης; Εκτός του ότι είναι πέντε φορές πιο ισχυρό από το ατσάλι, είναι και πολύ ελαστικό​—σπάνιος συνδυασμός για υλικά. Το νήμα της αράχνης τεντώνεται 30 τοις εκατό περισσότερο από την πιο ελαστική νάιλον ίνα. Εντούτοις δεν πάλλεται όπως το τραμπολίνο και έτσι δεν εκσφενδονίζει  την τροφή της αράχνης στον αέρα. «Σε ανθρώπινη κλίμακα», αναφέρει το περιοδικό Επιστημονικά Νέα (Science News), «ένας ιστός παρόμοιος με δίχτυ ψαρέματος θα μπορούσε να πιάσει ένα επιβατηγό αεροπλάνο».

Αν μπορούσαμε να αντιγράψουμε τη χημική δεξιοτεχνία της αράχνης​—μάλιστα υπάρχουν δύο είδη που παράγουν εφτά διαφορετικά μεταξωτά νήματα—​φανταστείτε πώς θα μπορούσαμε να τη χρησιμοποιήσουμε! Σε εξαιρετικά βελτιωμένες ζώνες ασφαλείας, καθώς και σε ράμματα, σε τεχνητούς συνδέσμους, σε ελαφριά σχοινιά και καλώδια, και σε αλεξίσφαιρα υφάσματα, για να αναφέρουμε μόνο λίγες πιθανότητες. Οι επιστήμονες προσπαθούν επίσης να κατανοήσουν πώς η αράχνη κατασκευάζει τόσο αποτελεσματικά το μεταξωτό νήμα της​—και μάλιστα χωρίς τη χρήση τοξικών χημικών ουσιών.

Τα Κιβώτια Ταχυτήτων και οι Κινητήρες Αεριοπροώθησης στη Φύση

Σήμερα ο κόσμος μας μετακινείται χάρη στα κιβώτια ταχυτήτων και στους κινητήρες αεριοπροώθησης. Αλλά γνωρίζετε ότι η φύση υπερτερεί ακόμα και σε σχέση με το σχεδιασμό αυτών των μηχανισμών; Πάρτε για παράδειγμα το κιβώτιο ταχυτήτων. Αυτό σας βοηθάει να αλλάζετε ταχύτητες στο όχημά σας ώστε να γίνεται η αποτελεσματικότερη δυνατή χρήση του κινητήρα. Το κιβώτιο ταχυτήτων της φύσης κάνει το ίδιο, αλλά δεν συνδέει τον κινητήρα με τους τροχούς. Αντίθετα, συνδέει φτερό με φτερό! Και πού υπάρχει κάτι τέτοιο; Στη μύγα. Η μύγα μπορεί να αλλάζει ταχύτητες στον αέρα χάρη στο κιβώτιο τριών ταχυτήτων που είναι συνδεδεμένο με τα φτερά της!

 Το καλαμάρι, το χταπόδι και ο ναυτίλος χρησιμοποιούν όλα ένα είδος κινητήρα αεριοπροώθησης για να κινούνται μέσα στο νερό. Οι επιστήμονες ζηλεύουν αυτούς τους κινητήρες. Γιατί; Επειδή αποτελούνται από μαλακά μέρη που είναι άθραυστα, αντέχουν σε μεγάλα βάθη και λειτουργούν αθόρυβα και αποτελεσματικά. Στην πραγματικότητα, όπως λέει το βιβλίο Ανεξέλεγκτη Τεχνολογία, το καλαμάρι μπορεί να αναπτύξει ταχύτητα ως και 32 χιλιόμετρα την ώρα όταν το κυνηγάνε, και «μερικές φορές μάλιστα πηδάει έξω από το νερό και πέφτει πάνω στο κατάστρωμα των πλοίων».

Ναι, αν διαθέσουμε λίγα μόνο λεπτά για να αναλογιστούμε το φυσικό κόσμο μπορεί να πλημμυρίσουμε δέος και εκτίμηση. Η φύση είναι στ’ αλήθεια ένα ζωντανό μυστήριο, το οποίο δημιουργεί αλλεπάλληλα ερωτήματα: Χάρη σε ποιες θαυμαστές χημικές διαδικασίες ανάβει το λαμπρό, ψυχρό φως στις πυγολαμπίδες και σε ορισμένα φύκια; Πώς καταφέρνουν ορισμένα ψάρια και βάτραχοι στην Αρκτική, αφού παγώνουν το χειμώνα, να επαναδραστηριοποιούνται όταν ξεπαγώνουν; Πώς μένουν οι φάλαινες και οι φώκιες κάτω από το νερό για μεγάλες περιόδους χωρίς να έχουν κάποιον αναπνευστικό μηχανισμό; Και πώς βουτάνε επανειλημμένα σε μεγάλα βάθη χωρίς να παθαίνουν αεροεμβολισμό, αυτό που συνήθως αποκαλείται νόσος των δυτών; Πώς αλλάζουν χρώμα οι χαμαιλέοντες και οι σουπιές για να ταιριάζουν με το περιβάλλον τους; Πώς διασχίζουν τα κολίβρια τον Κόλπο του Μεξικού με λιγότερα από 3 γραμμάρια καύσιμα; Ο κατάλογος με τα ερωτήματα φαίνεται ατελείωτος.

Είναι αλήθεια ότι οι άνθρωποι μπορούν απλώς να παρακολουθούν και να θαυμάζουν. Οι επιστήμονες νιώθουν ένα δέος «που μοιάζει με λατρεία» όταν μελετούν τη φύση, λέει το βιβλίο Βιομιμητική.

Το Σχέδιο Προϋποθέτει Σχεδιαστή!

Ο επίκουρος καθηγητής βιοχημείας Μάικλ Μπίχι δήλωσε ότι οι πρόσφατες ανακαλύψεις  που αφορούν το εσωτερικό του ζωντανού κυττάρου αποτελούν «μια δυνατή, καθαρή, διαπεραστική κραυγή: “Σχέδιο!”», και πρόσθεσε ότι το αποτέλεσμα των προσπαθειών για τη μελέτη του κυττάρου «είναι τόσο ευκρινές και τόσο σημαντικό ώστε πρέπει να καταχωριστεί ως ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα στην ιστορία της επιστήμης».

Εύλογα, λοιπόν, οι αποδείξεις για την ύπαρξη ενός Σχεδιαστή δημιουργούν προβλήματα στους υποστηρικτές της θεωρίας της εξέλιξης, επειδή η εξέλιξη δεν μπορεί να εξηγήσει τον πολύπλοκο σχεδιασμό των έμβιων όντων, ειδικά σε κυτταρικό και σε μοριακό επίπεδο. «Υπάρχουν επιτακτικοί λόγοι», λέει ο Μπίχι, «να πιστεύουμε ότι η δαρβινική θεωρία δεν πρόκειται ποτέ να δώσει μια εξήγηση για τους μηχανισμούς της ζωής».

Τον καιρό του Δαρβίνου πίστευαν ότι το ζωντανό κύτταρο​—η βάση της ζωής—​ήταν κάτι απλό, και η θεωρία της εξέλιξης αναπτύχθηκε εκείνη την εποχή της σχετικής άγνοιας. Αλλά τώρα η επιστήμη έχει προχωρήσει πολύ. Η μοριακή βιολογία και η βιομιμητική έχουν αποδείξει πέρα από κάθε αμφιβολία ότι το κύτταρο είναι ένα εκπληκτικά πολύπλοκο σύστημα γεμάτο εξαίσια, τέλεια σχέδια τα οποία κάνουν τις εσωτερικές λειτουργίες των πιο υπερσύγχρονων συσκευών και μηχανών μας να φαίνονται σαν παιδικά παιχνίδια.

Σύμφωνα με τον Μπίχι, η ύπαρξη έξοχου σχεδιασμού μάς οδηγεί στο λογικό συμπέρασμα «ότι η ζωή σχεδιάστηκε από κάποιον ευφυή παράγοντα». Δεν είναι άραγε λογικό να έχει αυτός ο Παράγοντας ένα σκοπό, ο οποίος περιλαμβάνει και τους ανθρώπους; Αν ναι, ποιος είναι αυτός ο σκοπός; Επίσης, μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για τον ίδιο τον Σχεδιαστή μας; Το επόμενο άρθρο θα εξετάσει αυτά τα σημαντικά ερωτήματα.

[Υποσημειώσεις]

[Πλαίσιο στη σελίδα 5]

Εξαφανισμένο Είδος Μύγας Βοηθάει στη Βελτίωση των Ηλιακών Συλλεκτών

Στη διάρκεια της επίσκεψής του σε ένα μουσείο, κάποιος επιστήμονας είδε φωτογραφίες ενός εξαφανισμένου είδους μύγας, η οποία ήταν κλεισμένη σε ένα κομμάτι κεχριμπάρι, αναφέρει το περιοδικό Νέος Επιστήμονας (New Scientist). Παρατήρησε μια σειρά από φράγματα περίθλασης στα μάτια του εντόμου και σκέφτηκε ότι ίσως αυτά βοηθούσαν τα μάτια της μύγας να συλλαμβάνουν περισσότερο φως, ιδιαίτερα από πολύ οξείες γωνίες. Αυτός και άλλοι ερευνητές άρχισαν τα πειράματα, και οι υποψίες τους επιβεβαιώθηκαν.

Οι επιστήμονες προγραμμάτισαν αμέσως να χαράξουν τα ίδια σχήματα φραγμάτων στο γυαλί ηλιακών συλλεκτών. Ελπίζουν ότι αυτό θα αυξήσει την ενέργεια που παράγουν οι ηλιακοί συλλέκτες. Ίσως επίσης εξαλείψει την ανάγκη για τα δαπανηρά συστήματα εντοπισμού που απαιτούνται τώρα ώστε να στρέφονται οι ηλιακοί συλλέκτες προς τον ήλιο. Με καλύτερους ηλιακούς συλλέκτες ίσως υπάρξει μείωση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων και, συνεπώς, μείωση της μόλυνσης​—πραγματικά αξιόλογος στόχος. Σαφώς, ανακαλύψεις σαν και αυτές μας βοηθούν να εκτιμήσουμε ότι η φύση είναι ουσιαστικά μια ανεξάντλητη πηγή έξοχων σχεδίων που περιμένουν να ανακαλυφτούν, να κατανοηθούν και, όπου είναι δυνατόν, να αντιγραφούν με χρήσιμους τρόπους.

[Πλαίσιο στη σελίδα 6]

Απόδοση Τιμής σε Εκείνον που την Αξίζει

Το 1957, ο Ελβετός μηχανικός Ζορζ ντε Μεστράλ παρατήρησε ότι οι μικρές ανθεκτικές κολλιτσίδες που κολλούσαν στα ρούχα του ήταν καλυμμένες με μικροσκοπικά αγκίστρια. Μελέτησε αυτές τις κολλιτσίδες και τα αγκίστρια τους και σύντομα η εφευρετική του διάνοια άρχισε να δουλεύει. Δαπάνησε τα επόμενα οχτώ χρόνια κατασκευάζοντας ένα συνθετικό αντίστοιχο της κολλιτσίδας. Η εφεύρεσή του εντυπωσίασε τον κόσμο και τώρα είναι γνωστή με την εμπορική ονομασία Βέλκρο (Velcro).

Φανταστείτε τώρα πώς θα ένιωθε ο ντε Μεστράλ αν κάποιοι έλεγαν στον κόσμο ότι κανένας δεν κατασκεύασε το Βέλκρο, ότι αυτό ήρθε σε ύπαρξη ως αποτέλεσμα χιλιάδων διαδοχικών συμπτώσεων σε ένα εργαστήριο. Ασφαλώς, αν θέλουμε να είμαστε έντιμοι και δίκαιοι θα πρέπει να αποδίδουμε την τιμή σε εκείνον που την αξίζει. Οι άνθρωποι κατοχυρώνουν τις εφευρέσεις τους με διπλώματα ευρεσιτεχνίας για να το διασφαλίσουν αυτό. Ναι, φαίνεται ότι αυτοί αξίζουν τιμή, οικονομικές ανταμοιβές, ακόμα και δόξα για τα δημιουργήματά τους, τα οποία είναι συνήθως υποδεέστερες απομιμήσεις πραγμάτων που υπάρχουν στο φυσικό κόσμο. Δεν θα πρέπει, λοιπόν, να αναγνωρίσουμε τον σοφό Δημιουργό μας για τα τέλεια πρωτότυπα έργα του;

[Εικόνα στη σελίδα 5]

Αναλογικά, τα οστά είναι πιο γερά από το ατσάλι

[Ευχαριστίες]

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

[Εικόνα στη σελίδα 7]

Το λίπος της φάλαινας παρέχει πλευστότητα, θερμομόνωση και αποθέματα τροφής

[Ευχαριστίες]

© Dave B. Fleetham/​Visuals Unlimited

[Εικόνα στη σελίδα 7]

Το δέρμα του κροκόδειλου και του αλλιγάτορα μπορεί να εξοστρακίζει δόρατα, βέλη, ακόμα και σφαίρες

[Εικόνα στη σελίδα 7]

Το μεταξωτό νήμα της αράχνης είναι πέντε φορές πιο ισχυρό από το ατσάλι, αλλά και πολύ ελαστικό

[Εικόνα στη σελίδα 8]

Ο εγκέφαλος του δρυοκολάπτη προστατεύεται από ένα πολύ συμπαγές οστό που λειτουργεί σαν αποσβεστήρας κραδασμών

[Εικόνα στη σελίδα 8]

Οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώμα για να ταιριάζουν με το περιβάλλον τους

[Εικόνα στη σελίδα 8]

Ο ναυτίλος έχει ειδικούς θαλάμους που ρυθμίζουν την άνωσή του

[Εικόνα στη σελίδα 9]

Το κολίβριο Αρχίλοχος ο κολούβριος καλύπτει απόσταση 1.000 χιλιομέτρων με λιγότερα από 3 γραμμάρια καύσιμα

[Εικόνα στη σελίδα 9]

Το καλαμάρι χρησιμοποιεί ένα είδος αεριοπροώθησης

[Εικόνα στη σελίδα 9]

Χάρη σε θαυμαστές χημικές διαδικασίες ανάβει το λαμπρό, ψυχρό φως στις πυγολαμπίδες

[Ευχαριστίες]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited