Mēs varam mācīties no dabas konstrukcijām

”Daudzi no mūsu labākajiem izgudrojumiem ir aizgūti no citām dzīvām būtnēm, vai arī tās ir tos lietojušas jau pirms mums.” (Fils Geitss, Wild Technology.)

KĀ BIJA minēts iepriekšējā rakstā, biomimētikas mērķis ir, atdarinot dabu, izgatavot uzlabotus materiālus un ierīces. Daba ”ražo” savu produkciju, neradot piesārņojumu, un tās ”ražojumi” lielākoties ir elastīgi un viegli, turklāt neticami izturīgi.

Piemēram, ja salīdzina kaulu un tēraudu ar vienādu masu, kauls ir izturīgāks par tēraudu. Kas ir šīs izturības pamatā? Daļēji to nodrošina lieliski izstrādātā forma, bet galvenais iemesls ir meklējams dziļāk — molekulu līmenī. ”Dzīvo organismu izcilās īpašības balstās uz to, kā ir konstruēti un savienoti to vissīkākie komponenti,” paskaidro F. Geitss. Iedziļinoties šajos vissīkākajos komponentos, zinātnieki ir izpētījuši, kādas substances piešķir dabiskajiem materiāliem, sākot ar kauliem un beidzot ar zīdu, to apskaužamo izturību un vieglumu. Viņi ir atklājuši, ka tie ir dažādi dabiski kompozītmateriāli.

Apbrīnojamie kompozītmateriāli

Kompozītmateriāli ir monolīti materiāli, kuros apvienotas divas vai vairākas atšķirīgas sastāvdaļas, izveidojot jaunu materiālu, kura īpašības ir pārākas par atsevišķo sastāvdaļu īpašībām. Ilustrācijai var minēt tādu sintētisku kompozītmateriālu kā stiklplastu, ko plaši izmanto laivu korpusu, makšķerkātu, loku, bultu un citu sporta un atpūtas piederumu izgatavošanā. Stiklplastu iegūst, iepildot šķidrā vai želejveidīgā polimēra matricē (saistvielā) smalkas stikla šķiedras. Kad polimērs sacietē, ir iegūts viegls, izturīgs un elastīgs kompozītmateriāls. Izmantojot dažāda veida šķiedras un matrices, var izgatavot ārkārtīgi plašu materiālu klāstu. Protams, cilvēka ražotie kompozītmateriāli tomēr ir primitīvi salīdzinājumā ar tiem, kas dabiskā ceļā veidojas cilvēkos, dzīvniekos un augos.

Cilvēku un dzīvnieku organismā nevis stikla vai oglekļa, bet gan īpašas olbaltumvielas, kolagēna, šķiedras ir galvenais komponents, kas nodrošina ādas, zarnu trakta, skrimšļu, cīpslu, kaulu un zobu (izņemot emalju) izturību. * Kādā grāmatā par kolagēnšķiedras kompozītmateriāliem sacīts, ka tie  ir ”vieni no visprogresīvākajiem strukturālajiem kompozītmateriāliem, kādi vien ir zināmi”.

Piemēram, cīpslas, ar kurām muskuļi ir piestiprināti pie kauliem, izceļas ne tikai ar savu uz kolagēna pamata veidoto šķiedru izturību, bet arī ar to, cik meistarīgi šīs šķiedras ir savītas kopā. Džanīna Bīnjusa savā grāmatā Biomimicry (Biomīmikrija) raksta, ka, atšķetinot cīpslu, atklājas, ar kādu ”gandrīz neticamu precizitāti ir veidoti tās daudzie struktūras līmeņi. Cīpsla, kas atrodas mūsu apakšdelmā, ir savītu pavedienu kūlis, un šie pavedieni līdzinās iekārtā tilta trosēm. Katra atsevišķa ”trose” pati ir vēl smalkāku savītu pavedienu kūlis. Ikviens no šiem smalkākajiem pavedieniem savukārt ir savītu molekulu kūlis, un šīs molekulas, protams, ir spirāliski savītu atomu pavedienu kūlis. Ar katru nākamo soli no jauna atklājas matemātiskas precizitātes skaistums.” Viņas vārdiem runājot, tas ir ”spožs inženiertehnisks sasniegums”. Nav brīnums, ka daudzi zinātnieki atzīst dabas konstrukcijas par avotu, no kura viņi smeļas savas idejas. (Salīdzināt Ījaba 40:15, 17.)

Kā jau teikts, cilvēka izgatavotie kompozītmateriāli nespēj līdzināties tiem,  kas sastopami dabā. Tomēr sintētiskie materiāli ir ievērības cienīgs izstrādājums. Tie pat ir iekļauti starp desmit izcilākajiem tehnoloģijas sasniegumiem pēdējos 25 gados. Piemēram, kompozītmateriāli ar grafīta vai oglekļa šķiedrojumu ir pamatā principiāli uzlabotām lidmašīnu un kosmosa kuģu daļām, sporta piederumiem, pirmās formulas automašīnām, jahtām un vieglām protēzēm, un tie ir tikai daži no daudzajiem ražojumiem, kuros ietilpst šie materiāli, kas tiek izmantoti aizvien plašāk.

Universālais trāns

Vaļi un delfīni gan paši to nezina, bet viņu ķermeni ietver unikāls audu slānis — tas ir trāns, tauku veids. ”Vaļu trāns, iespējams, ir visuniversālākais materiāls, kāds mums zināms,” teikts grāmatā Biomimetics: Design and Processing of Materials. Paskaidrojot šo novērtējumu, grāmatā stāstīts, ka trāns ir lielisks peldēšanas palīglīdzeklis un tas palīdz vaļiem uznirt virspusē pēc gaisa. Tas ir brīnišķīgs izolācijas materiāls, kas aizsargā šos siltasiņu dzīvniekus pret okeāna aukstumu. Turklāt tā ir vislabākā barības vielu rezerve tūkstošiem kilometru garajiem migrācijas ceļojumiem, kuru laikā vaļi neapstājas, lai barotos. Tauki dod divas trīs reizes vairāk enerģijas nekā tikpat liels daudzums olbaltumvielu vai ogļhidrātu.

”Trāns ir arī ļoti atsperīgs, gumijai līdzīgs materiāls,” rakstīts minētajā grāmatā. ”Pēc mūsu pašreizējiem aprēķiniem, paātrinājums, ko rada trāna elastīgais atsitiens, kad trāna slānis ar katru astes vēzienu tiek saspiests un izstiepts, ilgstošā, nepārtrauktā peldējumā var ietaupīt līdz pat 20% enerģijas, kas jāpatērē, lai pārvietotos uz priekšu.”

Cilvēki jau gadsimtiem ilgi ir nodarbojušies ar trāna ieguvi, bet tikai nesen tika atklāts, ka aptuveni pusi trāna apjoma veido sarežģīts kolagēna šķiedru pinums, kas ietver dzīvnieka ķermeni. Zinātnieki joprojām pētī, kā darbojas šis tauku un šķiedru komplekss, taču viņi jau tagad ir pārliecināti, ka ir atklājuši vēl vienu brīnummateriālu, ko varēs izmantot daudziem noderīgiem mērķiem, ja to ražos sintētiskā ceļā.

Ģeniālais inženieris ar astoņām kājām

Pēdējos gados zinātnieki ar lielu interesi pētī arī tādu radījumu kā zirnekli. Viņi vēlas noskaidrot, kā tas ražo savu pavedienu, kas būtībā arī ir kompozītmateriāls. Tiesa, pavedienus veido arī daudzi kukaiņi, tomēr zirnekļa tīmeklis ir kaut kas sevišķs. Tas ir viens no izturīgākajiem materiāliem uz zemes — runājot kāda zinātnieka vārdiem, īsts ”sapņu pavediens”. Zirnekļa tīmeklim piemīt tik izcilas īpašības, ka to uzskaitījums varētu pat likties neticams.

Kāpēc zinātnieki, raksturojot zirnekļa tīmekli, lieto viscildinošākos apzīmējumus? Būdams piecreiz izturīgāks par tēraudu, tas ir arī ārkārtīgi elastīgs — šāda īpašību kombinācija materiāliem ir  retums. Zirnekļa tīmeklis izstiepjas par 30 procentiem vairāk nekā viselastīgākais neilons. Tomēr tas neatlec atpakaļ kā tramplīns un neaizsviež zirnekļa pusdienas atpakaļ gaisā. ”Cilvēka mērogos tas būtu tā,” teikts žurnālā Science News, ”it kā ar kaut ko līdzīgu zvejnieku tīklam varētu ķert pasažieru lidmašīnas.”

Ja cilvēki iemācītos atdarināt zirnekļa ķīmiskos meistardarbus — divas sugas pat ražo septiņu veidu pavedienus —, iedomājieties, kā šo sasniegumu varētu likt lietā! Varētu izgatavot krietni labākas drošības jostas, medicīniskos diegus, mākslīgās saites, vieglas auklas un troses, ložu necaurlaidīgus audumus un vēl daudz ko citu. Zinātnieki mēģina arī saprast, kā zirneklim izdodas veidot pavedienu tik efektīvi un bez indīgu ķimikāliju palīdzības.

Dabas pārnesumkārbas un reaktīvie dzinēji

Mūsdienu pasaulē transports nav iedomājams bez pārnesumkārbām un reaktīvajiem dzinējiem. Bet vai jūs zināt, ka arī šajā jomā daba mums jau ir aizsteigusies priekšā? Piemēram, automašīnā pārnesumkārba ļauj pārslēgt ātrumus, lai vislietderīgāk izmantotu dzinēja jaudu. Dabā ir līdzīgs mehānisms, kas veic tādu pašu funkciju, tikai tas ir saistīts nevis ar motoru un riteņiem, bet gan ar spārniem. Un kur to var atrast? Visparastākajā istabas mušā! Mušas spārniem ir pievienota trīspakāpju ”pārnesumkārba”, ar kuras palīdzību muša lidojumā var pārslēgt ātrumu.

Savukārt kalmāri, astoņkāji un nautili jeb kuģīši pārvietojas ūdenī, liekot lietā reaktīvo dzinējspēku.  Zinātnieki šo dzīvnieku ”reaktīvos dzinējus” vēro ar skaudību. Kāpēc? Tāpēc, ka tie sastāv no mīkstām detaļām, kas nelūst, iztur spiedienu, kāds uz tām iedarbojas lielā dziļumā, un darbojas klusi un ekonomiski. Bēgot no vajātājiem, kalmāri var attīstīt ātrumu vairāk nekā 30 kilometri stundā, un tie ”reizēm pat izlec no ūdens un piezemējas uz kuģa klāja”, teikts grāmatā Wild Technology (Savvaļas tehnoloģija).

Ja mēs tikai uz mirkli apstājamies un padomājam par apkārtējo dabu, mūs pārņem dziļš saviļņojums un bijība. Daba patiesi ir dzīva mīkla, kas rosina vienu jautājumu pēc otra. Kādi ķīmiski brīnumi liek spīdvabolēm un noteiktu sugu aļģēm spīdēt, izplatot brīnišķīgu, aukstu gaismu? Kā dažādas arktiskas zivis un vardes, kas ziemu pavada, sasalušas ragā, pēc atkušanas spēj atkal dzīvot tālāk? Kā vaļi un roņi var palikt zem ūdens tik ilgu laiku bez aparāta elpošanai zem ūdens? Un kā tas ir iespējams, ka tie atkārtoti nirst lielā dziļumā, nesaslimstot ar dekompresijas slimību? Kā hameleoni un sēpijas jeb tinteszivis maina krāsu, reaģējot uz apkārtni? Kā kolibri izdodas šķērsot Meksikas līci ar nepilniem trīs gramiem ”degvielas”? Tamlīdzīgus jautājumus varētu uzdot bez gala.

Tiešām, cilvēkiem atliek vienīgi skatīties un brīnīties. Zinātnieki, pētot dabu, ar laiku sāk izjust apbrīnu, kas ”robežojas ar godbijību”, sacīts grāmatā Biomimicry.

Ja ir konstrukcija — kāds to ir konstruējis

Norādot uz vienu no rezultātiem, ko devuši jaunākie dzīvās šūnas pētījumi, bioķīmijas asociētais profesors Maikls Bīhijs rakstīja: ”[Tie] skaidri un  nepārprotami liecina, ka tā ir konstruēta!” Šie rezultāti, kas iegūti, cenšoties izpētīt šūnu, zinātnieks piebilda, ir ”tik nepārprotami un nozīmīgi, ka tie jāpieskaita pie lielākajiem zinātnes sasniegumiem”.

Saprotams, pierādījumi, kas liecina, ka ir kāds, kas ”konstruējis” — iecerējis un mērķtiecīgi veidojis — visu pastāvošo, sagādā problēmas tiem, kas aizstāv evolūcijas teoriju, jo evolūcijas process nevarēja izveidot sarežģītās konstrukcijas, kas darbojas dzīvajās būtnēs, jo īpaši šūnu un molekulu līmenī. ”Ir pamatots iemesls domāt,” saka M. Bīhijs, ”ka dzīvības mehānismiem tā arī nekad netiks atrasts darvinistisks izskaidrojums.”

Darvina laikā dzīvā šūna — dzīvības pamats — tika uzskatīta par vienkāršu veidojumu, un evolūcijas teorija radās salīdzinoši trūcīgu zināšanu laikmetā. Kopš tā laika zinātne ir krietni pavirzījusies uz priekšu. Molekulārbioloģija un biomimētika ir neapšaubāmi pierādījušas, ka šūna ir ārkārtīgi komplicēta sistēma, kas pilna ar tik smalkām un precīzām konstrukcijām, ka salīdzinājumā ar tām mūsu vissarežģītākās ierīces un mehānismi izskatās pēc bērnu spēlītes.

Izcilais konstruktīvais risinājums liek nonākt pie loģiska secinājuma, saka M. Bīhijs, ka ”dzīvību ir mērķtiecīgi izveidojis kāds, kam piemīt saprāts”. Vai nav tikpat loģiski secināt, ka šim Veidotājam ir arī savs nodoms, kas attiecas arī uz cilvēkiem? Ja tā ir, kāds ir šis nodoms? Un vai mēs varam kaut ko vairāk uzzināt par savu Veidotāju? Nākamajā rakstā būs aplūkoti šie nozīmīgie jautājumi.

[Zemsvītras piezīme]

[Papildmateriāls 5. lpp.]

Izmiris kukainis palīdz uzlabot saules paneļus

Aplūkojot muzeja ekspozīciju, kāds zinātnieks ieraudzīja attēlus, kuros bija redzams kāds izmiris divspārnis, kas saglabājies dzintara gabalā, stāstīts žurnālā New Scientist. Zinātnieks ievēroja kukaiņa acīs joslas, kas veidoja difrakcijas režģi, un viņam iešāvās prātā doma, ka šīs līnijas varbūt palīdzēja acīm uztvert vairāk gaismas, it īpaši, ja tā krita ļoti slīpā leņķī. Kopā ar citiem zinātniekiem viņš uzsāka eksperimentus, un tie apstiprināja šo minējumu.

Drīz vien zinātnieki jau bija izstrādājuši plānus, lai mēģinātu iegravēt tādu pašu līniju rakstu saules paneļu stikla virsmā. Viņi cer, ka tas dos iespēju ražot ar saules paneļiem vairāk enerģijas. Tāpat, iespējams, varēs iztikt bez dārgajām iekārtām, kas patlaban ir nepieciešamas, lai saules paneļi pastāvīgi būtu pavērsti pret sauli. Ja izdosies uzlabot saules paneļus, varbūt varēs samazināt fosilā kurināmā izmantojumu un līdz ar to samazinātos arī piesārņojums — tas būtu lielisks ieguvums. Tādi atklājumi kā šis palīdz mums saprast, ka daba ir kā īsta zelta bedre, pilna ar brīnišķīgām konstrukcijām, kuras atliek vienīgi atklāt, izpētīt un, ja vien iespējams, atdarināt, lai liktu lietā.

[Papildmateriāls 6. lpp.]

Gods pēc nopelniem

1957. gadā šveiciešu inženieris Žoržs de Mestrāls ievēroja, ka dadža galviņas, kas cieši pieķērušās viņa drēbēm, ir klātas ar maziem āķīšiem. Viņš izpētīja šīs galviņas un āķīšus, un viņa radošā fantāzija sāka darboties. Nākamos astoņus gadus viņš veltīja tam, lai radītu sintētisku dadža ekvivalentu. Viņa izgudrojums strauji iekaroja pasauli, un tagad šis aizdares veids — līplente jeb Velcro — ir plaši pazīstams.

Iedomājieties, kā justos de Mestrāls, ja pasaulei tiktu paziņots, ka līplenti neviens nav izgudrojis, ka tā radusies pati no sevis pēc daudziem tūkstošiem nejaušu atgadījumu kādā darbnīcā. Taisnīgums neapšaubāmi prasa, lai tas, kam pienākas gods, to arī saņemtu. Izgudrotāji iegūst patentus, lai nodrošinātu sev pelnīto atzinību. Šķiet saprotams, ka cilvēkiem pienākas atzinība, materiāla atlīdzība un pat slava par viņu izgudrojumiem, kas bieži vien ir tikai nepilnīgi dabā atrodamo veidojumu atdarinājumi. Vai gan mūsu gudrais Radītājs nav pelnījis godu par saviem izcilajiem oriģināliem?

[Attēls 5. lpp.]

Kauls ir izturīgāks par tikpat smagu tērauda gabalu

[Norāde par autortiesībām]

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

[Attēls 7. lpp.]

Vaļu trāns nodrošina labu peldspēju un siltumizolāciju un ir lieliska barības vielu rezerve

[Norāde par autortiesībām]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[Attēls 7. lpp.]

Krokodilu un aligatoru āda var izturēt šķēpa, bultas un pat lodes triecienu

[Attēls 7. lpp.]

Zirnekļa tīmeklis ir piecreiz izturīgāks par tēraudu, taču tas ir arī ārkārtīgi elastīgs

[Attēls 8. lpp.]

Dzeņu un dzilnu smadzenes aizsargā ļoti biezs kauls, kas darbojas kā amortizators

[Attēls 8. lpp.]

Hameleoni maina krāsu, reaģējot uz apkārtni

[Attēls 8. lpp.]

Nautilam ir īpašas kameras, kas ļauj tam regulēt savu peldspēju

[Attēls 9. lpp.]

Rubīnrīkles kolibri veic 1000 kilometru lidojumu, iztiekot ar nepilniem trīs gramiem ”degvielas”

[Attēls 9. lpp.]

Kalmārs pārvietojas, izmantojot reaktīvo dzinējspēku

[Attēls 9. lpp.]

Spīdvaboļu krāšņo luminiscenci izraisa apbrīnojamas ķīmiskas reakcijas

[Norāde par autortiesībām]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited