Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 10 – vyšlo 4. března, ročník 19 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Inspirace přírodou

Rudolf Mentzl

V bulletinech na tomto serveru pravidelně přinášíme novinky ze světa robotikyRobotika – vědní disciplína zaměřující se na automatické stroje používané pro průmyslové a obchodní účely. (naposledy například zde: AB 5/2022), ve kterých konstruktéři naplno přiznávají inspiraci přírodou. S údivem pak sledujeme, že se vrací k postupům, které kdysi zavrhli. Zavrhli jsme nohy, ploutve ryb či mávající křídla a nahradili je koly, lodními šrouby a pevnými nosnými plochami. Dnes se k původním řešením obloukem vracíme především při návrzích mikrorobotů. Mezi přírodou a světem techniky můžeme opravdu nalézt nejednu paralelu a nezbývá, než se dohadovat, zda se technik opravdu nechal inspirovat, nebo přišel s vlastním řešením, aby pak zjistil, že něco podobného už udělala evoluce za něj. O několika takových vynálezech bude následující článek.

Larva tohoto brouka vynalezla bifokální brýle dříve než člověk. Zdroj: CC BY-SA 3.0.

Ommatidium – základní stavební kámen složeného (fasetového) oka. Vyhlíží jako trubička zakončená světločivnou skvrnou. Fasetové oko se skládá z několika tisíc ommatidií, každé je natočené poněkud jiným směrem a dohromady vytvářejí mozaikový obraz.

Parietální oko – primitivní oko sloužící většinou jen k rozpoznání intenzity osvětlení.

Kutikula – nebuněčný obal některých živých organizmů, například hmyzu. Skládá se z povrchové jednovrstvé epikutikuly a vícevrstvé exokutikuly a endokutikuly.

Pohyb

Zdá se, že pro realizaci pohybu si příroda asi vyzkoušela všechna řešení kromě kola nebo ozubeného převodu. Je logické, že evoluce nemohla k točivým prvkům dospět. Evoluce ovšem o logice mnoho neví, a tak v přírodě nalezneme obojí. Rostliny známé jako stepní běžci (například katrán tatarský, máčka ladní nebo třeba i oblíbená růže z Jericha) roznášejí svá semena po okolí koulivým pohybem. Po dozrání semen nadzemní část rostliny odumře a vysychání ji zformuje do tvaru koule. Při závanu větru se odlomí od kořene, nechá kutálet po stepi a pomalu trousí semena.

Ozubené převody jsou známy z hmyzí říše. Konkrétně je evoluce nadělila křísům. Křísi jsou nenápadní, několik málo milimetrů dlouzí tvoři, které běžně potkáváme při procházkách loukou. Pokud něčím zaujmou, je to rychlost, jakou odskakují stranou. Malcolm Burrows a Gregory Sutton, z Cambridges Department of Zoology si položili otázku, jak dokážou milimetrové nohy udělit svému tělu během zlomku sekundy zrychlení (1 800 ms⁻²), které dopraví hmyz až na metrovou vzdálenost.

Již desítky let je známo, že za tak velkým výkonem stojí bílkovina (resilin), která je schopná pomalu akumulovat tlakovou energii a pak ji v jediném okamžiku uvolnit. Výzkumný tým Malcoma Burrovse si však uvědomil, že je tu ještě další problém. Synchronizace skákavých noh. Pokud by se jedna noha opozdila za druhou pouze o zlomek již tak krátké doby odpružení (30 μs), skok by v lepším případě směřoval náhodným směrem, ale spíše by skončil havárií. Je zřejmé, že tak přesnou synchronizaci by primitivní nervová soustava těžko zvládla. Proto se evoluce přichýlila k hardwarovému řešení a obě skákavé nohy spojila ozubeným převodem. Pro úplnost jen dodejme, že tento vynález mohou křísi využívat jen ve stádiu nymfy. Po posledním svlékání o něj přicházejí. Beztak by ho už nepotřebovali, protože dospělí jedinci mají křídla.

Mluvit v případě ozubeného převodu křísů (zde Issus coleoptratus) o inspiraci přírodou by bylo asi poněkud pošetilé. Ozubená část má rozměr přibližně 400 μm. Tato fotografie byla pořízena pod elektronovým mikroskopem až v novém tisíciletí. Zdroj: Malcom Burrows, Gregory Sutton.

Pak je tu další typ pohonu, který musel člověk sám objevit, ačkoli příroda jím disponovala patrně již v prvohorách. Byla to éra obrovské exploze života, kdy vzduch dobyl největší létající druh hmyzu, meganeura – předchůdce vážky. Dá se předpokládat, že její larvy žijící ve vodě již tenkrát disponovaly tím, čím dnešní larvy vážek, tedy raketovým motorem.

Larva vážky nejraději chodí všude pěšky. To ale neznamená, že by občas neuvítala svižnější pohon, typicky při úniku před jiným predátorem. V případě ohrožení je schopna z análního otvoru vypudit velkou rychlostí vodu, což jí dodá impuls k rychlému pohybu vpřed. Dlužno podotknout, že je raketový pohon larev pouze vedlejším efektem vývoje dýchacího aparátu. Dýchání má rozloženo do tří oblastí. Jednak dýchají povrchem těla, pak pomocí tří lamel na konci zadečku, a nakonec také nasáváním a vytlačováním vody análním otvorem. Výtrysk vody je jen samozřejmým důsledkem sevření břišních svalů polekané larvy.

Raketový pohon je u vodních živočichů poměrně oblíbený, ale motor larvy vážky asi nejvíce připomíná lidské výtvory. Jinak se s principem můžeme setkat u chobotnic (byly popsány případy i několikametrového letu nad vodní hladinou), sépií, salp či hřebenatek. Na suché zemi by byl reaktivní způsob pohonu příliš neefektivní, tak ho zaznamenáváme jen jako vedlejší efekt bez valného užitku. Například zralé a odlomené tobolky tykvice stříkavé vystřelují ze svých útrob slizem obalená semena, což jim uděluje zpětný ráz.

Larva vážky opakovaně vypuzuje vodu análním otvorem, což jí umožňuje reaktivní pohyb vpřed. Zdroj: Rob Hinchliffe, národní park Chain Lakes, Alberta.

Optika

Zvláštní kapitolu mezi evolučními vynálezy tvoří oko. Evolucí prošlo několikrát a každé řešení by asi našlo svůj ekvivalent v technice. Nikoho nepřekvapí, že sítnice připomíná čip ve fotoaparátu, nebo že svazek ommatidiíOmmatidium – základní stavební kámen složeného (fasetového) oka. Vyhlíží jako trubička zakončená světločivnou skvrnou. Fasetové oko se skládá z několika tisíc ommatidií, každé je natočené poněkud jiným směrem a dohromady vytvářejí mozaikový obraz. vypadá jako optika rentgenových dalekohledů. Někdy se uvádí, že oko opatřené sítnicí je dokonalé a složené oko členovců primitivní. Je to nepochopení podstaty věci. Oba principy jsou dokonalé v prostředí, ve kterém fungují. Oko se sítnicí skutečně poskytuje ostřejší obraz, ale kdyby mělo být zmenšeno na velikost hmyzího oka, složené oko by mělo navrch. Při rozměrech, ve kterých se začíná uplatňovat vlnová povaha světla, by tandem čočkaOční čočka – průhledná bikonvexní (ve tvaru čočky) struktura v oku, která spolu s rohovkou láme světlo tak, aby mohlo být zaměřeno na sítnici. – sítniceSítnice – vnitřní tenká vrstva oka obratlovců. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů, které na sítnici nasměruje čočka. nepodával optimální výkon.

Známe ovšem i výjimky, kdy i hmyz některým ze svých očí ponechal sítnici. Jednou z nich je americký potápník Thermonectus marmoratus, vynálezce prvních bifokálních brýlí. Larva tohoto potápníka se živí především larvami komárů a k jejich lovu využívá hlavně zrak. Plynule přeostřovat na blízko i na dálku vyžaduje zvláštní konstrukci čočky, což je při takhle malých rozměrech i na evoluci příliš velká výzva. Navíc by larva viděla buď na blízko, anebo na dálku. Proto jsou čtyři její přední oči vybaveny zvláštně deformovanými čočkami, se dvěma ohniskovými vzdálenostmi. Proto ta zmínka o bifokálních brýlích. Dále jsou v oku dvě různě vzdálené sítnice. Na jedné vzniká obraz vzdáleného předmětu, na druhé obraz předmětu blízkého.

Čtyři čelní oči larvy potápníka jsou vybaveny bifokálními čočkami. Každé z těchto
očí ukrývá dvě sítnice. Zdroj: Elke Buschbeck.

Navigace

Navigace má ve vztahu mezi vynálezy lidí a vynálezy evoluce zvláštní postavení. Přišly s ní obě strany nezávisle, a každá má diametrálně jiná řešení. Některé právě teď zkoumané principy naznačují nové cesty, jak se z přírody poučit.

Orientace ptáků pomocí magnetického pole není žádnou novinkou. Nový je ale poznatek, že na magnetické pole je citlivý i hmyz. To je překvapivé. U ptáků se z magnetorecepce podezřívají struktury na povrchu zobáku, které by se do drobných tělíček hmyzu těžko vtěsnaly. Biolog Martin Vácha z Masarykovy univerzity v Brně však na pokusech se šváby a potemníky jednoznačně prokázal změnu chování tohoto hmyzu v magnetickém poli. Za původce označil bílkovinu kryptochrom v jejich očích. Zda kryptochrom někdy využijeme i v technických aplikacích, nedokážeme zatím rozhodnout. V tuto chvíli k tomu není důvod, technická řešení jsou citlivější, nicméně kryptochrom se vyskytuje nejen v očích hmyzu, ale i savců. Nabízí se tedy spekulace, zda ho nepoužít v biotechnologiích vylepšujících naše schopnosti.

Přirozený kompas není jediné zařízení, podle kterého se hmyz orientuje. Některé druhy s sebou vláčí i elektroskop. Elektroskop, který využívají hlavně zástupci blanokřídlých při pátrání po nektaru. Květiny jim v tomto ohledu rády vychází vstříc, protože je i v jejich zájmu, aby byly opyleny.

Dominic Clarke z Bristolské univerzity provedl sérii pokusů se čmeláky. Vyrobil větší množství stejných umělých květů, které naplnil buď sladkou, anebo hořkou šťávou. Protože květy v přírodě mají tendenci získávat kladný náboj, nabil kladným nábojem také umělé květy, zatímco hořké ponechal bez náboje. Čmeláci vyhledávali sladké květy s přesností převyšující 80 %. Když ponechal všechny květy bez náboje, čmeláci ztratili přehled a poznali, jak hořký život může být.

Pokus vypadá sice jen jako účelově uspořádaný, ve skutečnosti má s realitou mnoho průsečíků. Ve skutečném světě se křídla hmyzu za letu nabíjí třením o vzduch záporným nábojem. Chloupky přichycené k nervové soustavě, které hmyzí kutikulou prorůstají ven z těla, se napřimují, a když hmyz míjí kladně nabitý květ, začnou na něj reagovat. Zlákaný hmyz přistane, a zatím co se věnuje sosání nektaru, elektrostaticky se na něj přichytí pyl. Tím ho květ nejen předá k expedici, ale zároveň i přijde o svůj náboj, čímž se stane pro další návštěvy nezajímavým. Čmeláci tak neztrácí čas ani energii a navštěvují ještě nedotčené květy, což je v zájmu všech zúčastněných. Z dalších pokusů vyplynulo, že čmelák dokáže odhadnout podle tvaru elektrického pole i tvar okvětních lístků. Je to tedy smysl velice užitečný. Pokud smysl pro detekci elektrického náboje funguje skutečně tímto způsobem, máme tu něco, co pozoruhodně připomíná školní elektroskop.

Způsobů navigace a orientace v živočišné i rostlinné říši je nepřeberně. Namátkou vzpomeňme natáčení listů tropických stromů tak, aby co nejvíce snížily vypařování a naopak natáčení jiných rostlin v chladnějším pásmu tak, aby pohltily co nejvíce zářivé energie. Hmyz se může orientovat světlem, chemicky... Pro svou kurióznost připomeňme, jak si při stavbě hnízda pomáhá sršeň východní. Opět se orientuje magnetickým polem, ale tentokrát si staví vlastní orientační síť. Metabolizuje a následně do každé buňky ukládá malý krystalek magnetického nerostu FeTiO₃. To už je topologicky velice blízko některým technologickým způsobům navigace.

Inspirace nebo paralelní vývoj?

Tento článek jsme směřovali k popisu paralelního vývoje. K vynálezům, u kterých člověk teprve zpětně zjistil, že jsou tu už dávno. V tomto duchu bychom mohli pokračovat dlouho. Jistě by přišla řeč na interferenci na křídlech tropických motýlů, na sluneční baterie sršně východní (viz AB 25/2025), na fraktální materiály neobyčejné pevnosti či jen na architekturu a poznatek mravenců, že od severu to fouká.

Tento způsob paralel by však brzy skončil, dnes nastupuje trend opravdové inspirace přírodou. Poznatky z živé přírody se dennodenně vrší a stále v nich objevujeme nové nečekané detaily. Zároveň přichází doba miniaturizace mechaniky a potřeba miniaturních strojků speciálního zaměření. Žijeme na počátku těžby informačního bohatství přírody.

Práce ozubeného převodu křísů. Zdroj: Scientific American.

Odkazy