Школа природи. Шедеври конструювання

«Багато наших найліпших винаходів скопійовано з живих організмів або уже давно ними використовуються» (Філ Ґейтс, «Вайлд текнолоджі»).

ЯК ГОВОРИЛОСЯ у попередній статті, мета біоміметики — створення більшої кількості композиційних матеріалів та механізмів шляхом наслідування природи. Природа виробляє свою продукцію, не забруднюючи середовища. Її витвори відзначаються пружністю та легкістю і водночас є неймовірно міцними.

Наприклад, кістка міцніша за сталь тієї самої ваги. В чому ж полягає таємниця? Частково у добре продуманій формі кістки, але основний секрет цього феномену слід шукати глибше — на молекулярному рівні. «Загадка живих організмів криється в конструкції та доборі їхніх найменших деталей»,— пояснює Ґейтс. Дослідивши ці найдрібніші деталі, науковці відокремили субстанції, завдяки яким природні конструкції, починаючи від кістки й закінчуючи шовком, відрізняються завидною міцністю та легкістю. Виявилося, що ці субстанції є різними видами природних композитів.

Дивовижні композиційні матеріали

Композиційні матеріали — це тверді матеріали, що утворюються в результаті поєднання двох або більше компонентів і характеризуються ліпшими властивостями, ніж ті початкові складники. Можна проілюструвати це на прикладі штучного композита — склопластику, який широко застосовується в корпусах човнів, вудках, луках, стрілах та інших спортивних товарах. Склопластик виготовляють шляхом занурення тоненьких скляних волокон у рідку чи желеподібну основу з пластику (полімеру). Коли цей полімер твердне, або застигає, утворюється композиційний матеріал, що відзначається легкістю, міцністю та гнучкістю. Змінюючи вид волокон та основи, можна виготовити багато різноманітних виробів. Звичайно, створені людиною композити однаково не порівняти з тими, які закладені від природи в людських, тваринних та рослинних організмах.

У людях та тваринах включеннями в композиційних матеріалах, які надають міцності шкірі, кишкам, хрящам, сухожиллю, кісткам та зубам (окрім емалі), служать не волокна скла чи вуглецю, а волокнистий білок колаген *. У певному довіднику такі  матеріали названо «одними з найпрогресивніших конструкційних композитів».

Розгляньмо, наприклад, сухожилля, за допомогою якого м’язи прикріплюються до кісток. Сухожилля унікальне не лише завдяки міцності, котрої йому надають колагенові волокна, але також через дивовижний спосіб, в який ці волокна скручені. У книжці «Біомімікрія» (англ.) Джанін Біньєс пише, що коли подивитися на розгорнуте сухожилля, то відкривається «просто неймовірна точність на всіх його численних рівнях. Сухожилок у вашому передпліччі — це скручений жмут «кабелів», подібних до тих, які використовуються у висячих мостах. Кожен окремий «кабель» також являє собою скручений жмуток тонших «кабелів». А кожен з цих тонших «кабелів» є скрученим пучком молекул, які теж складаються зі скручених у спіраль пучків атомів. І знову перед нами повстає математична краса». Біньєс назвала це «інженерним шедевром». Тож чи повинне нас дивувати те, що науковці, як вони самі кажуть, черпають натхнення з живих конструкцій? (Порівняйте Йова 40:15, 17).

Як уже говорилося, створені людиною композити блякнуть поруч з  природними. Все ж вироби із синтетики заслуговують великої похвали. Вони навіть належать до десяти найбільших інженерних досягнень людини, зроблених за минулі 25 років. Наприклад, розробка композиційних матеріалів з включеннями волокон вуглецю або графіту привела до виникнення нового покоління спортивних товарів, деталей для літаків та космічних апаратів, гоночних автомобілів для «Формули 1», яхт та легких протезів. І кількість таких виробів швидко зростає.

Чудесна універсальна жирова тканина

Кити й дельфіни навіть не здогадуються, що їхні тіла обгорнуті незвичайною тканиною — шаром жиру, або ворвані. «Жирова тканина китів — це, мабуть, найуніверсальніший матеріал із усіх нам відомих»,— говориться в книжці «Біоміметика: розробка та обробка матеріалів». А далі там пояснюється чому: жирова тканина є чудовим засобом для спливання й допомагає китам підійматися на поверхню, щоб набрати повітря. Вона також служить цим теплокровним ссавцям найліпшою теплоізоляцією від океанського холоду. Крім того, під час міграцій, коли китам доводиться впроголодь долати тисячі кілометрів, жир виявляється найліпшим джерелом живлення. Так, жир постачає вдвічі-втричі більше енергії, ніж білки та цукри.

Згідно з вищезгаданою книжкою, «жирова тканина китів є також дуже пругким матеріалом, подібним до гуми. За нашими останніми найточнішими підрахунками, під час довгих періодів безперервного плавання кити економлять коло 20% витрат енергії на рух. Можливе це завдяки прискоренню, якого китам надає сила пружності, що виникає при стисканні й розтягу еластичного жирового шару з кожним помахом хвоста».

Ворвань добувають уже століттями, але тільки недавно з’ясувалося, що майже половина її маси припадає на складне мереживо колагенових волокон, яке обвиває кожну тварину. Хоча науковці все ще досліджують функції цієї композиційної жирової суміші, вони вважають, що відкрили ще один дивовижний матеріал, штучний двійник якого міг би отримати широке застосування.

Восьминогий геній інженерії

В останні роки вчені також дуже уважно приглядаються до павука. Вони прагнуть довідатися, як він виготовляє своє павутиння, що теж належить до композитів. Хоча шовкові ниточки продукує багато різноманітних комах, але павутиння є чимось справді особливим. Це один із найміцніших матеріалів на землі, який один автор наукових статей назвав «прядивом нашої мрії». Павутиння настільки унікальне, що просто важко перелічити усі його численні дивовижні характеристики.

Чому науковці висловлюються про павутиння з таким захопленням? Тому що воно не лише в п’ять разів міцніше за сталь, але й неймовірно еластичне. Поєднання цих двох властивостей в одному матеріалі — рідкісне явище. Павутиння розтягується  на 30 відсотків більше, ніж найеластичніший нейлон. Але воно, на відміну від батута, не скорочується й не викидає в повітря павукового обіду. «У людських масштабах,— говориться в журналі «Саєнс ньюс»,— павутиння, що являло б собою рибальську сітку, могло б упіймати пасажирський літак».

Уявіть собі, які вироби випускала б людина, коли б навчилась проробляти з хімічними речовинами такі чудеса, як павук (два його види виготовляють аж сім різноманітних шовкових ниток)! З’явилися б значно удосконалені ремені безпеки, нитки для зшивання ран, штучні зв’я́зки, легкі й міцні шнури та троси, куленепробивні тканини та багато іншого. Науковці також намагаються зрозуміти, як павуку вдається виробляти таку чудову павутину без використання токсичних хімікатів.

Коробки передач та реактивні двигуни у світі природи

Завдяки коробці передач та реактивному двигуну світ сьогодні перебуває в постійному русі. Але чи знаєте ви, що й тут природа обігнала нас? Розгляньмо, наприклад, коробку передач. Вона уможливлює зміну передач в автомобілі, щоб якнайефективніше використовувати мотор. Природна коробка передач робить те саме, але з’єднує не мотор з колесами, а крила з крилами! І хто ж володіє такою коробкою передач? Звичайна муха. Через те що її тришвидкісний механізм перемикання  передач сполучений з крилами, вона може змінювати передачі просто в повітрі!

Кальмари, восьминоги та наутилуси мандрують водами морів та океанів, користуючись принципом реактивного руху. Науковці із заздрістю дивляться на їхні двигуни. Чому? Бо вони складаються з м’яких частин, які не ламаються, витримують тиск великих глибин і працюють безшумно й ефективно. Кальмари, утікаючи від хижаків, можуть розвинути швидкість понад 30 кілометрів за годину і «деколи навіть вистрибують з води й падають на палубу кораблів»,— говориться в книжці «Вайлд текнолоджі».

Наше серце сповнюється благоговінням і цінуванням, коли ми лише на кілька хвилин задумаємося над світом природи. Природа — це справді жива загадка, яка викликає у нас питання за питанням: які хімічні чудеса спричиняють яскраве холодне світіння світлячків та декотрих морських водоростей? Як різні арктичні риби й жаби, повністю замерзнувши взимку, знову оживають, відтанувши? Як китам та тюленям вдається так довго перебувати під водою без аквалангів? І чому вони, раз у раз пірнаючи на великі глибини, не страждають від декомпресійної хвороби, яка ще називається кесонною хворобою? Як хамелеони та каракатиці змінюють колір, щоб злитися з оточенням? Як колібрі вдається перетинати Мексиканську затоку, маючи менше 3 грамів пального? Здається, що таким питанням ніколи не буде кінця.

Дійсно, люди можуть лише спостерігати й дивуватися. У книжці «Біомімікрія» говориться, що дослідження природи викликає у науковців захоплення, яке «межує з благоговінням».

 Конструкції свідчать про Конструктора!

Ад’юнкт-професор біохімії Майкл Біхі сказав, що один із результатів нещодавніх відкриттів, зроблених у царстві живої клітини,— це «гучний, чіткий і пронизливий вигук: «Сконструйовано!». За його словами, цей результат дослідження клітини «є настільки недвозначним і важливим, що його слід зарахувати до найбільших досягнень за всю історію науки».

Зрозуміла річ, що докази існування Конструктора створюють проблеми для прихильників теорії еволюції. Ця теорія не може пояснити, як у живих організмах, особливо на клітинному та молекулярному рівнях, виникли дуже складні конструкції. За словами Біхі, «існують вагомі причини думати, що дарвінівське пояснення механізмів життя назавжди залишиться примарним».

За днів Дарвіна вважалося, що жива клітина — підвалина життя — досить проста. І саме в ту пору відносного невігластва народилась теорія еволюції. Але тепер для науки минув час невідання. Молекулярна біологія та біоміметика розсіяли усі сумніви в тому, що клітина — це неймовірно складна система, переповнена вишуканими, досконалими конструкціями, у порівнянні з якими наші найпрогресивніші технічні новинки та механізми здаються дитячими забавками.

Як каже Біхі, ці геніальні конструкції спонукують нас до логічного висновку, «що життя було запроектоване Кимось розумним». Чи не розсудливо було б тоді припустити, що цей Хтось також має намір, який стосується і людей? Якщо так, то що це за намір? І чи можемо ми довідатися більше про нашого Конструктора? Ці важливі запитання обговорюватимуться в наступній статті.

[Примітка]

[Рамка на сторінці 5]

Вимерла муха допомагає удосконалити сонячні батареї

За повідомленням журналу «Нью саєнтист», одного науковця під час відвідин музею зацікавили зображення вимерлої мухи, яка збереглася в бурштині. Увагу вченого привернули решітки на очах комахи. У нього виник здогад, що така будова очей допомагала мусі вловлювати більше світла, особливо під дуже гострим кутом. Разом з іншими дослідниками він розпочав експерименти, які підтвердили його припущення.

Невдовзі науковці задумали вигравірувати такі самі решітки на склі сонячних батарей. Вони сподіваються, що завдяки цьому сонячні батареї вироблятимуть більше енергії. Крім того, можливо, зникне потреба в дорогих системах наведення батарей на Сонце, без яких сьогодні не обійтись. Удосконалені сонячні батареї також вимагатимуть менше природного палива, а отже, спричинятимуть менше забруднення, що дуже важливо. Такі знахідки, безперечно, допомагають нам усвідомити, що природа — це справжня скарбниця чудових конструкцій, які чекають на відкриття, аналіз та корисне застосування.

[Рамка на сторінці 6]

Шана тому, хто її заслужив

У 1957 році швейцарський інженер Жорж де Местраль зауважив, що маленькі голівки реп’яха, які причепилися до його одягу, вкриті крихітними гачечками. Він дослідив ці голівки та гачечки, і невдовзі його осінила блискуча ідея. Наступні вісім років він займався розробкою штучного двійника реп’яха. Цим винаходом зацікавилися у всьому світі, і сьогодні він називається просто липучка (або «Велькро»).

Уявіть собі, як би почувався де Местраль, коли б світові сказали, що липучку ніхто не створив, а вона виникла сама по собі внаслідок тисяч випадкових подій у майстерні. Безсумнівно, чесність і справедливість вимагає віддати належну шану тому, хто її заслужив. Щоб зберегти свої права, винахідники оформляють патенти. І ці люди по праву заслуговують шани, грошової винагороди й слави за свої творива, які часто є лише слабкими копіями шедеврів світу природи. А чи наш мудрий Творець не достойний визнання за свої досконалі оригінали?

[Ілюстрація на сторінці 5]

Кістка міцніша за сталь тієї ж ваги.

[Відомості про джерело]

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

[Ілюстрація на сторінці 7]

Жирова тканина допомагає китам спливати, служить теплоізоляцією і джерелом живлення.

[Відомості про джерело]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[Ілюстрація на сторінці 7]

Від шкіри крокодилів та алігаторів відскакують не лише списи та стріли, але навіть кулі.

[Ілюстрація на сторінці 7]

Павутиння у п’ять разів міцніше за сталь і водночас дуже еластичне.

[Ілюстрація на сторінці 8]

Мозок дятла захищає дуже міцна кістка, яка діє подібно до амортизатора.

[Ілюстрація на сторінці 8]

Хамелеони змінюють колір, щоб злитися з оточенням.

[Ілюстрація на сторінці 8]

Наутилус має особливі камери, завдяки яким регулює свою плавучість.

[Ілюстрація на сторінці 9]

Рубіногорлий колібрі може подолати тисячу кілометрів, маючи менше 3 грамів пального.

[Ілюстрація на сторінці 9]

Кальмар використовує принцип реактивного руху.

[Ілюстрація на сторінці 9]

Хімічні чудеса спричиняють яскраве холодне світіння світлячків.

[Відомості про джерело]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited