Smarte design i naturen verdt å imitere
Evolution news ; 9. mai 2019
Oversatt herfra.
Foto: Duckweed, av Klaus J. Appenroth, via EurekAlert!

Forskere ville ikke søke å etterligne dårlige mønstre. Vil studien av naturen inspirere til å bygge en bedre avfallsplass? De gamle vanene til noen darwinister med å kritisere naturens design (dysteleologi), eller å avvise ikke-(protein)-kodende deler av genomet ('junk-DNA') eller å finne ubrukelige organer fra evolusjon (vestigiale organer), motvirkes av mange forekomster av produktiv forskning, inspirert fra anerkjennelsen av overlegen design funnet over hele verden.

Skarptskytende reker -se også her.
En reke kan lukke kloa si så fort at det skaper plasma. Elastisk energi lagret i den klappede klo-mekanismen, genererer når den frigjøres, en kavitationsboble som skyter utover og svimeslår sitt byttedyr. Disse vakuum-boblene kollapser med utrolig energi. I stor skala, kan kavitasjon ødelegge stein og stål. Forskere som er interessert i undervannsplasma er fascinert, fordi plasma kan sterilisere vann, samt bore gjennom berggrunn med målrettet presisjon.
-Når snappende reker - også kjent som pistol-reker - snapper kloa si, skyter den ut en vannstråle fort nok til å generere en boble som, når den kollapser, skaper høy lyd og gir lys. Det høye trykket og temperaturen som produseres i denne prosessen fører til plasmadannelse. [Kurivering lagt til.]

Det er ikke tull om høye temperaturer; plasmaet kan overstige 1650 grader Celsius! Se på videoklippet fra Texas A & M University -her, som viser hvordan rekerkloa fungerer, og hvordan David Staks team imiterte den med en arbeidsmodell. Resultatene var imponerende:
-Den bio-inspirerte mekaniske utformingen tillot oss å gjennomføre gjentatte og konsekvente eksperimenter på plasma dannelsen, og indikerer en signifikant økning i konverteringseffektivitet sammenlignet med sonisk, laser og elektrisk indusert kavitasjon.
Deres artikkel,"Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation,"er publisert i åpen tilgang journal Science Advances -her. Den starter: "Naturen kan generere plasma i væsker mer effektivt enn menneskeskapte enheter som bruker elektrisitet, akustikk eller lys." Staak forestiller mange applikasjoner fra denne NSF-finansierte forskningen, fra å redusere draget på båter til å oppgradere olje, bryte opp nyresten, steriliserer vann og å bore gjennom solid fjell.

Iriserende fisk
Iriserende skjell på den vanlige akvariefisket 'neon tetra' har inspirert nye fargeskiftende enheter, rapporterer Chemical & Engineering News (C & EN) -her. Denne historien illustrerer hvordan biomimetikk prosjekter fremmer god empirisk vitenskap. For å etterligne neontetra's evne til å endre farger, måtte forskerne først undersøke mekanismen.
-"Vi ble inspirert av neontetra," sier Chih-Hao Chang, en mekanisk ingeniør ved North Carolina State University. Den fargerike fisken ( Paracheirodon innesi ) produserer iridescens gjennom lys som reflekterer fra små guaninplater i skalaene. Ved å vippe platene, kan fisken endre avstanden mellom dem og dermed bølgelengden de reflekterer. Chang kaller dette en "persienne-blindmekanisme", der lameller forblir i samme avstand fra hverandre, men roterer for å åpne eller lukke hullene mellom seg.

Da de forstod mekanismen, kunne de reprodusere effekten med stabler av polymerer skilt av mikroskopiske kolonner som kan vippes av magnetfelt for å endre rommet mellom platene. Denne metoden bygger på undersøkelser av strukturelle farger laget av et annet inspirerende dyr, kameleonen:
-Den persienne-tilnærmingen er forskjellig fra en trekkspill-metode som kameleoner bruker til å forandre farge og som forskere har replikert i fotoniske krystaller, materialer designet med periodisk fordelte nano-strukturer som interagerer med lys. Ved denne metoden endrer øking eller strekking av avstanden mellom nano-strukturer, reflekterings-egenskapene. Med denne tilnærmingen må strukturen imidlertid være mindre enn lysets bølgelengder, noe som betyr mindre enn 400 til 700 nm for synlig lys. Jernoksydkolonnene i Changs system kan være mye større, og skulle derfor være lettere å lage.
Hva er dette bra for? "Teknologien kan til en dag gi soldater kamuflasje eller danne grunnlaget for en ny type skjerm," sier forskerne.

Rensende plante
Duckweed. Det ser ut som en plage, som danner matter på damvann. Faktisk har den vanlige planten et par fantastiske egenskaper. For en ting har den svært lite mangfold, en overraskelse for forskere ved Universitetet i Münster -her:
-De oppdaget at genetisk mangfold, det totale antall genetiske egenskaper som er forskjellig blant individer, er svært lavt. "Dette er bemerkelsesverdig med tanke på at populasjons-størrelsen er veldig stor - det kan for eksempel være millioner av individer i en enkelt dam", sier Shuqing Xu, professor for planteevolusjonær økologi ved Münster Universitet og hovedforfatter av studien.

Hvordan kan det skje ? Det lave mangfoldet skyldes 'ekstremt lav mutasjonsrate'. Funnet advarer biologer mot å anta at hver organisme muterer på samme måte:
-"Vår studie legger vekt på at nøyaktige estimater av mutasjonsrate er viktige for å forklare mønstre av genetisk mangfold blant arter ", sier Meret Huber. Resultatene er ikke bare relevante for fremtidige studier på utvikling av planter, inkludert mange avlinger som har lignende reproduktive strategier som duckweed, de vil også akselerere bruken av duckweed både for grunnforskning og industrielle applikasjoner.
Det fører til den andre fantastiske egenskapen, evnen duckweed har til å rense vann. "De små og raskt voksende plantene er av stor interesse for forskere, og ikke minst på grunn av sine industrielle anvendelser - for eksempel å rense avløpsvann eller generere energi." (understreking lagt til av oversetter)

Hormon triggere
Molekyler som utløser endringer i en organisme kalles hormoner. De gir eksempler på informative koder i organismer, fordi de ikke 'betyr' noe i utgangspunktet, med mindre en reseptor er til stede som forstår koden og vet hva den skal gjøre med det. Mannlige og kvinnelige hormoner utløser svært forskjellige responser, sier Tokyo Institute of Technology -her, men reseptorene må være ultra-presise for å oppdage de svært små forskjellene i hormon-bindingssteder. For å skille mellom mannlige hormoner måtte forskergruppen først forstå de bindende lommenes strukturelle karakter og så jobbe veldig hardt for å kopiere designet.
-Kjemikere ved Tokyo Techs laboratorium for kjemi og bio-vitenskap har designet og utviklet en kapselformet syntetisk reseptor som kan skille mellom mannlige og kvinnelige steroid-hormoner. Navnlig viser reseptoren uvanlig høy bindingsaffinitet mot androgene mannlige hormoner i vann.

-Publisert i dag i Science Advances -her, er deres prestasjon et godt eksempel på biomimetisk design - opprettelsen av systemer som etterligner ideer fra naturen. "Naturlige biologiske reseptorer kan gjenkjenne små strukturelle forskjeller mellom mannlige og kvinnelige steroid-hormoner ved hjelp av deres protein-lommer," forfatterne sier. "Det har imidlertid vært utfordrende å emulere denne funksjonen kunstig frem til nå."

Hvordan vil denne kunnskapen og søknaden hjelpe mannen i gata? "Vi ser at vår syntetiske reseptor vil bli brukt til utvikling av praktiske, ultrasensitive analytiske enheter for steroide kjønnshormoner, alt fra medisinsk verktøy til dopingkontroll i sport, i den nære fremtid," sier forskerne.

Sammendrag
Biomimetikk fremmer alt som er bra i vitenskap: inspirasjon, forståelse og anvendelse. Disse og mange andre eksempler fra internasjonale laboratorier - ofte finansiert av regjeringen - viser at den levende verden tilbyr en skattekiste av muligheter til å lære og dra nytte av gode design-ideer. Evolusjonister kan prøve å hevde at reker, fisk, duckweed og hormoner ble optimalisert av millioner av år med blind sjanse, men slike spekulasjoner er overflødige. De smarte pengene er på design. Hvis det krever intelligent design å forstå og etterligne en rekeklo, eller en fisks iriserende -skjell, så gjenkjenner vi aktiviteten til overlegen intelligens når vi ser den rundt oss og prøver å kopiere den. [Kurivering lagt til av oversetter.]

Tager: biomimetikk; dysteleologi; genetisk diversitet; homoner; iridescence; junk-DNA, naturen.