Si impara dai progetti presenti in natura

“Molte delle nostre invenzioni migliori le abbiamo copiate da altri esseri viventi, o comunque erano già utilizzate da altri esseri viventi”. — Phil Gates, Wild Technology.

COME menzionava l’articolo precedente, l’obiettivo della scienza della biomimesi è quello di produrre materiali e dispositivi più perfezionati imitando la natura. La natura sforna i suoi prodotti senza inquinare, e in genere si tratta di prodotti resistenti e leggeri eppure incredibilmente forti.

Ad esempio, a parità di peso, l’osso è più forte dell’acciaio. Qual è il suo segreto? In parte il merito è della sua forma ben progettata, ma per comprendere i veri motivi bisogna scendere a livello molecolare. “L’efficienza degli organismi viventi è dovuta al modo in cui sono progettati e assemblati i loro componenti elementari”, spiega Gates. Studiando con attenzione questi componenti, gli scienziati hanno isolato le sostanze che conferiscono ai prodotti naturali, dall’osso alla seta, la loro invidiata resistenza e leggerezza. E hanno scoperto che si tratta di varie categorie di materiali compositi naturali.

Il miracolo dei materiali compositi

I materiali compositi sono materiali solidi che si ottengono combinando due o più sostanze in modo da formarne una nuova con caratteristiche superiori a quelle dei componenti originari. Un esempio di materiale composito sintetico è la vetroresina o fiberglass, che si usa comunemente per costruire chiglie di imbarcazioni, canne da pesca, archi, frecce e altri articoli sportivi. * La vetroresina si ottiene immergendo sottili fibre di vetro in una matrice liquida o gelatinosa di plastica (detta polimero). Quando il polimero si indurisce, ne risulta un materiale composito leggero, resistente e flessibile. Variando il tipo di fibre e la matrice, si può ottenere un’enorme varietà di prodotti. Naturalmente, i materiali compositi di fattura umana sono rudimentali in paragone con quelli che si trovano in natura negli esseri umani, negli animali e nelle piante.

Negli esseri umani e negli animali, invece delle fibre di vetro o di carbonio, alla base dei materiali compositi che conferiscono robustezza alla pelle, agli intestini, alla cartilagine, ai tendini, alle ossa e ai denti (ad eccezione dello smalto)  c’è una proteina fibrosa detta collagene. * Un’opera di consultazione dice che i materiali basati sul collagene sono “tra i materiali compositi strutturali più avanzati che si conoscano”.

Prendete il caso dei tendini, che collegano i muscoli alle ossa. I tendini sono straordinari, non solo per la resistenza delle loro fibre a base di collagene, ma anche per il modo fantastico in cui queste fibre sono tessute fra loro. Un libro spiega che la struttura interna del tendine “è quasi incredibile nella sua precisione a vari livelli. Il tendine dell’avambraccio è un fascio ritorto di cavi, come i cavi che sorreggono i ponti sospesi. Ciascun cavo a sua volta è un fascio ritorto di fibre più sottili. Ciascuna di queste fibre a sua volta è un fascio ritorto di molecole, le quali sono, naturalmente, fasci elicoidali ritorti di atomi. Ripetutamente ci troviamo di fronte a una bellezza matematica”. Secondo questo libro, si tratta di un esempio di “progettazione raffinata”. (Janine Benyus, Biomimicry) C’è  forse da meravigliarsi se gli scienziati dicono di ispirarsi ai progetti evidenti nella natura? — Confronta Giobbe 40:15, 17.

Come dicevamo in precedenza, i materiali compositi di fattura umana impallidiscono al paragone con quelli che si trovano in natura. Nondimeno, i materiali sintetici sono prodotti di tutto rispetto. Sono addirittura elencati fra i dieci risultati tecnologici più importanti conseguiti negli ultimi 25 anni. Ad esempio, materiali compositi basati sulla grafite o sulle fibre di carbonio hanno portato a una nuova generazione di componenti per l’aeronautica e l’astronautica, di articoli sportivi, di macchine di Formula 1, di imbarcazioni da diporto e di protesi ortopediche leggere, per menzionare solo alcune delle sempre più numerose applicazioni.

Un grasso versatile che ha del miracoloso

Le balene e i delfini non lo sanno, ma il loro corpo è avvolto in un tessuto miracoloso: il cosiddetto “grasso di balena”. “Il grasso di balena è probabilmente il materiale più versatile che si conosca”, dice il libro Biomimetics: Design and Processing of Materials (Biomimesi: Progettazione e lavorazione dei materiali). Spiegando perché, aggiunge che è un meraviglioso galleggiante e quindi aiuta i cetacei ad emergere per respirare. Inoltre è un ottimo isolante che protegge questi animali, che sono mammiferi, e quindi a sangue caldo, dal freddo dell’oceano. Ed è anche la migliore riserva alimentare durante le migrazioni in cui i cetacei percorrono migliaia di chilometri senza mangiare. A parità di peso, il grasso provvede una quantità di energia da due a tre volte maggiore di quella provveduta dalle proteine e dagli zuccheri.

“Il grasso di balena è anche un materiale gommoso molto elastico”, afferma il libro summenzionato. “Secondo i migliori calcoli che possiamo fare, l’accelerazione dovuta all’elasticità del grasso che viene compresso e stirato a ogni colpo di coda può far risparmiare all’animale fino al 20% di energia nel corso di periodi prolungati di nuoto continuo”.

Il grasso di balena viene sfruttato da secoli, eppure solo di recente si è scoperto che per quasi metà del volume esso consiste di una complessa rete di fibre di collagene che avvolge l’animale. Gli scienziati stanno ancora cercando di capire le proprietà di questo materiale composito a base di grasso, ma sono convinti di avere scoperto un altro prodotto miracoloso che troverebbe molte utili applicazioni se venisse riprodotto sinteticamente.

Un geniale ingegnere a otto zampe

Negli ultimi anni gli scienziati hanno studiato con molta attenzione anche i ragni. Vogliono capire come producono la loro seta, anch’essa un materiale composito. È vero che sono molti gli insetti che secernono seta, ma quella dei ragni è speciale. Si tratta di uno dei materiali più resistenti al mondo; un divulgatore scientifico l’ha definita “la sostanza di cui sono fatti i sogni”. La seta dei ragni è talmente straordinaria che un elenco delle sue proprietà sembrerebbe incredibile.

 Perché gli scienziati ricorrono ai superlativi quando devono descrivere la seta dei ragni? Oltre ad essere cinque volte più robusta dell’acciaio, è anche straordinariamente elastica: due caratteristiche, queste, che difficilmente si ritrovano nello stesso materiale. La seta dei ragni si allunga del 30 per cento in più rispetto al nylon più elastico che esista. Eppure non si comporta come un trampolino, facendo rimbalzare in aria il pasto del ragno. “Su scala umana”, dice la rivista Science News, “una ragnatela simile a una rete da pesca sarebbe in grado di catturare un aereo passeggeri”.

Se riuscissimo a imitare la bravura chimica dei ragni — ce ne sono due specie che producono addirittura sette varietà di seta — immaginate quali applicazioni si potrebbero realizzare! Cinture di sicurezza estremamente più efficienti, e poi suture, legamenti artificiali, fili e cavi leggeri, tessuti antiproiettile, per menzionarne solo alcune. Gli scienziati stanno anche cercando di capire come fa il ragno a produrre la seta in maniera così efficiente, e senza impiegare sostanze chimiche tossiche.

“Scatole del cambio” e “motori a reazione”

Nell’odierna era dei trasporti, scatole del cambio e motori a reazione sono diventati una realtà quotidiana. Ma sapevate che questi dispositivi esistevano già in natura? Prendete la scatola del cambio, per esempio. Questa permette di cambiare marcia, così da usare il motore nella maniera più efficiente possibile. La “scatola del cambio” presente in natura fa la stessa cosa, ma non collega un motore alle ruote. Collega invece le  ali! E dove si trova? Nella mosca domestica. Sì, la mosca ha nelle ali un cambio a tre velocità che le permette di “cambiare marcia” in volo!

Il calamaro, il polpo e il nautilo utilizzano tutti una forma di propulsione a getto per spostarsi nell’acqua. Gli scienziati osservano questi propulsori con invidia. Perché? Perché sono formati da parti molli che non si rompono, che resistono a immersioni a grandi profondità e che funzionano in maniera silenziosa ed efficiente. Il calamaro, quando fugge dai predatori, può raggiungere i 32 chilometri all’ora, “arrivando a volte a saltare fuori dall’acqua così da finire sul ponte delle navi”, dice il libro Wild Technology.

Sì, basta mettersi a riflettere qualche attimo sulla natura per provare un senso di riverente gratitudine. La natura è un vero e proprio rompicapo vivente che suscita una domanda dopo l’altra: A quali straordinarie reazioni chimiche è da attribuire la luce fredda delle lucciole e di certe alghe? Come fanno vari pesci e rane dell’Artico, dopo essere rimasti congelati tutto l’inverno, a riprendere le loro attività quando si scongelano? Come fanno cetacei e foche a rimanere sott’acqua a lungo senza respiratore? E come fanno a immergersi ripetutamente a grandi profondità senza che si formino gli emboli gassosi che danno luogo alla cosiddetta malattia da decompressione? Come fanno camaleonti e seppie a cambiare colore per mimetizzarsi con l’ambiente? Come fanno i colibrì ad attraversare il Golfo del Messico consumando meno di 3 grammi di carburante? A quanto pare, l’elenco delle domande si allungherebbe all’infinito.

Sì, gli esseri umani non possono che ammirare stupiti. Secondo il libro Biomimicry, studiando la natura gli scienziati provano un senso di ammirazione “quasi reverenziale”.

 Dietro il progetto, un Progettista!

Il biochimico Michael Behe ha affermato che il risultato di recenti scoperte sulla cellula vivente “addita in modo forte, chiaro e penetrante un ‘progetto!’” E ha aggiunto che questo risultato degli studi sulla cellula “è così inequivocabile e significativo che si deve considerare uno dei più grandi passi avanti nella storia della scienza”.

Com’è comprensibile, le prove dell’esistenza di un Progettista costituiscono un problema per chi difende la teoria dell’evoluzione, in quanto questa non può spiegare i sofisticati progetti insiti negli esseri viventi, soprattutto a livello cellulare e molecolare. “Ci sono validi motivi”, dice Behe, “per pensare che non si riuscirà mai a trovare una spiegazione darwiniana dei meccanismi della vita”.

Al tempo di Darwin si credeva che la cellula vivente, il mattone fondamentale della vita, fosse semplice, e la teoria dell’evoluzione venne concepita in quell’epoca di relativa ignoranza. Ma ora le cose sono cambiate. La biologia molecolare e la biomimesi hanno dimostrato senza ombra di dubbio che la cellula è un sistema straordinariamente complesso pieno di elementi progettati alla perfezione, al punto che, al confronto, gli apparecchi e le macchine più sofisticate sembrano dei giocattoli.

L’esistenza di un raffinato progetto, dice Behe, ci porta a concludere che “la vita è stata progettata da un essere intelligente”. Non è quindi ragionevole che questo Essere abbia anche uno scopo, nel quale rientrano anche gli esseri umani? In tal caso, qual è questo scopo? Ed è possibile conoscere meglio il nostro stesso Progettista? L’articolo che segue prenderà in esame queste importanti domande.

[Note in calce]

[Riquadro a pagina 5]

Una mosca estinta aiuta a migliorare i pannelli solari

Un articolo della rivista New Scientist spiega che uno scienziato, mentre visitava un museo, vide delle foto di una mosca estinta conservata nell’ambra. Notò che gli occhi dell’insetto presentavano una serie di scanalature parallele e immaginò che queste gli permettessero di catturare una maggiore quantità di luce, specie quella che arrivava con angoli di incidenza molto alti. Insieme ad altri ricercatori, cominciò a condurre esperimenti i quali confermarono la sua intuizione.

Ben presto gli scienziati pensarono di riprodurre lo stesso tipo di scanalature sul vetro dei pannelli solari, sperando così di aumentarne la resa energetica. Questo potrebbe anche eliminare il bisogno dei costosi sistemi attualmente necessari per orientare i pannelli in direzione del sole. Disporre di pannelli solari migliori potrebbe voler dire usare meno combustibili fossili, e quindi inquinare di meno: un obiettivo nobile. Scoperte come questa ci aiutano a capire che la natura è una vera e propria miniera di progetti eccellenti che aspettano solo di essere scoperti, compresi e, quando è possibile, copiati in modi utili.

[Riquadro a pagina 6]

Onore al merito!

Nel 1957 l’ingegnere svizzero George de Mestral osservò che i piccoli semi di bardana che gli si attaccavano tenacemente agli abiti erano forniti di minuscoli uncini. Studiò questi semi e i loro uncini, e ben presto nella sua fertile mente nacque un’idea. Lavorò otto anni per creare l’equivalente sintetico della bardana. La sua invenzione ebbe un successo immediato e oggi tutti ne conoscono il nome: velcro.

Immaginate come si sarebbe sentito De Mestral se si fosse sparsa la voce che nessuno aveva progettato il velcro, che era semplicemente il frutto di una serie di migliaia di incidenti avvenuti in un’officina. È ovvio che onestà e giustizia impongono di riconoscere i meriti altrui. Gli inventori si tutelano al riguardo ottenendo brevetti. Sì, a quanto pare gli uomini ci tengono a veder riconosciuti i propri meriti e a ricevere ricompense economiche e persino lodi per le loro creazioni, che spesso sono solo scadenti imitazioni di cose già esistenti in natura. Non sarebbe giusto dare merito al nostro saggio Creatore dei perfetti originali?

[Immagine a pagina 5]

A parità di peso, l’osso è più forte dell’acciaio

[Fonte]

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

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Il grasso di balena è un galleggiante, un isolante termico e una riserva alimentare

[Fonte]

© Dave B. Fleetham/Visuals Unlimited

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La pelle dei coccodrilli e degli alligatori è in grado di far rimbalzare lance, frecce e persino proiettili

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La seta dei ragni è cinque volte più robusta dell’acciaio, ma è anche straordinariamente elastica

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Il cervello del picchio è protetto da un osso molto compatto che funge da ammortizzatore

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I camaleonti cambiano colore per mimetizzarsi con l’ambiente

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Il nautilo ha la conchiglia divisa in speciali camere che gli permettono di controllare la spinta idrostatica

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Il colibrì dalla gola color rubino vola per 1.000 chilometri con meno di tre grammi di carburante

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I calamari utilizzano una forma di propulsione a getto

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La luce fredda delle lucciole è frutto di straordinarie reazioni chimiche

[Fonte]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited