Жанин Беньюс о технологиях, навеянных природой

В своём выступлении Жанин Беньюс делится последними достижениями в области биомимикрии, приводя вдохновляющие примеры создания разработок на основе мудрости природы.

Я рада быть на конференции,

посвящённой «Урокам природы».

Здорово выступать в начале конференции.

Вроде прелюдии
к остальным выступлениям, верно?

У меня есть возможность
поговорить о своих любимых существах,

о птицах под названием западные поганки.

Их брачный танец — это то, что нужно
увидеть хотя бы раз в жизни.

Я наблюдала его на озере Боумэн
в национальном парке Глейшер.

Это длинное узкое озеро,
окаймлённое перевёрнутыми горами,

где мы с другом
плаваем на байдарке.

Однажды мы плыли, и к нам
присоединилась одна из этих птиц.

Их брачный танец обычно выглядит так —
птицы подплывают друг к другу,

самец и самочка,
и начинают бежать по воде.

Они гребут лапками
всё быстрее и быстрее,

разгоняясь до такой степени,
что практически парят над водой;

они поднимаются над водой вертикально,
как бы гребя на поверхности воды.

Одна из таких поганок подплыла к нам,
пока мы гребли.

Мы гребли очень-очень быстро,
чем ввели утку в заблуждение.

Она приняла нас за объект ухаживания

и начала бежать по воде рядом с лодкой,

выполняя брачный танец
длиной в несколько километров.

Останавливаясь и начиная снова и снова.

Вот это настоящая прелюдия.

(Смех)

В тот момент мне очень захотелось
превратиться из человека
в такую же птицу.

Нам есть чему поучиться у природы
в плане зрелищности.

У природы много уроков для нас.

Но сегодня я хотела бы поговорить о том,

чему мы можем научиться у природы
в сфере технологий и разработок.

С тех пор как вышла моя книга,

посвящённая исследованиям в биомимикрии,

я получила множество просьб
от архитекторов, дизайнеров, инженеров —

людей, которые меняют этот мир.

Все они хотели, чтобы в их разработках
принял участие биолог,

консультируя и вдохновляя
на оригинальные решения.

Или же — ещё более удивительный вариант —

устроить вылазку на природу.
Найти лучшее решение

для неразрешимых проблем
на примере созданий природы.

Это фото с Галапагосов,
куда мы отправились

с командой специалистов
по очистке сточных вод.

И многие из них были против этой поездки.

Они заявили, что уже используют
биомимикрию в своей работе,

а именно — бактерии для очистки вод.

На что мы ответили —
это не совсем верное понимание подхода.

Использовать живые организмы
в технологическом процессе

в том числе для очистки сточных вод —

идея не новая и называется она
«приручение природы».

Мы же говорим о заимствовании идеи,
принципа действия у природы.

Но эти ребята не могли понять разницы.

Тогда мы отправились
на прогулку по пляжу,

и я предложила озвучить
их самую неразрешимую проблему,

камень преткновения в технологии,
значительно снижающий эффективность.

Накипь внутри труб,

минеральные отложения.

Я думаю, каждый в быту
сталкивался с отложением солей.

Просвет в трубе закрывается солями,
и приходится применять
токсичные вещества для промывки,

или же выкапывать трубу
и заменять её новой.

Вот если бы можно было
предотвратить отложение минералов...

Я собрала горсть ракушек с пляжа
и спросила:

Из чего образуется
накипь в ваших трубах?

Из карбоната кальция.

Я показала на ракушки —
вот, это карбонат кальция.

Они этого не знали.

Инженеры не знали,
из чего сделаны ракушки!

Сначала образуется белковая форма,
и затем ионы соли из морской воды

кристаллизуются, образуя раковину.

В трубах то же самое,
только без протеина.

Они понятия не имели о том,
что в природе есть похожий процесс.

И это не от недостатка информации,
а от недостатка связи с природой.

Люди мыслят узко в своей сфере,
даже не подозревая,

что где-то параллельно
идут такие же процессы.

«Хорошо, — ответил один из команды, —
это тот же процесс кристаллизации,

самообразование раковины
из морской воды,

только я не понимаю —
как это процесс останавливается?

Почему раковина
не разрастается до бесконечности?»

«Одним и тем же способом, —
ответила я, —

сначала выделяется протеин,
который запускает кристаллизацию,

а когда формирование закончено,

раковина выделяет протеин,
блокирующий отложение соли.

Он покрывает всю поверхность раковины».

В промышленности есть TPA-протеин,

схожий по свойствам с тем,
который выделяется ракушками,

он мог бы стать экологичным средством
для борьбы с отложениями в трубах.

После этого инженеров как подменили.

Их невозможно было уговорить
вернуться обратно в лодку.

Если в первый день это выглядело так:

краткая пробежка, щёлк-щёлк-щёлк —
и 5 минут спустя они уже в лодке.

Готово, мы посмотрели остров.

После разговора о ракушках

они облазили его вдоль и поперёк.

Их невозможно было вытащить из воды,
когда они ныряли с маской.

И всё из-за обычного существа
с этого острова,

без труда решившего проблему,

над которой они бились
с начала своей карьеры.

Одно дело изучать природу,

но учиться у неё — это другое.

Это смена всей модели мышления.

Они поняли,
что ответы на их вопросы повсюду,

нужно лишь изменить угол обзора.

Природа тестирует свои разработки
на протяжении 4 миллиардов лет.

Она создала 10-30 млн — спросите у Крейга Вентера —
великолепно работающих образцов.

Я думаю, их куда больше 30 миллионов.

И самое важное —
все они созданы в одной среде.

На планете Земля.

В той же среде, где живём
и решаем наши проблемы мы с вами.

Осознанное следование гению природы —

это не слепое копирование —

хотя Альберт тут довольно удачно
скопировал причёску —

это заимствование
принципов у творений природы,

чтобы на их основе
научиться создавать новое.

Сегодня здесь присутствует
много людей из IT-сферы.

Поэтому я не могу
не упомянуть о том факте,

что в этой среде
масса заимствований из мира природы.

Например, способность
компьютерной системы к самозащите,

подобно иммунной системе живых существ.

Принципы генной регуляции,
био-развития, нейронных сетей,

генетические алгоритмы,
эволюционные вычислительные методы —

всё это используется в разработке ПО.

Но мы забываем об этом
при производстве самих компьютеров.

Их производство
трудно назвать высокотехнологичным,

если подумать
о десятках канцерогенов в отходах,

которые сбрасываются
в воды Силиконовой Долины.

Так что компьютерное производство

весьма далеко от успеха
с точки зрения природы.

Чему нам следует учиться, говоря
не только о компьютерах, а в целом?

Самолёты и машины, на которых
вы прибыли, стулья в этом зале.

Как изменить искусственно
созданный нами мир?

Чему мы хотим научиться
у природы в ближайшие 10 лет?

Она всегда готова предложить нам
массу отличных технологий.

Итак, что в итоге?

3 главных вопроса.

Как создаёт природа?

Абсолютно не так, как люди.

Нагрев, деформация и обработка —

вот наши принципы работы с материалом.

В результате 96% материала
идёт в отходы

и только 4% — в сам продукт.

Накалить, спрессовать,
обработать реактивами.

В природе такое невозможно представить.

Как создано большинство её творений?

Взгляните на пыльцу герани.

В её форме заложена способность
парить в воздухе.

Взгляните на эту форму внимательнее.

Природа заложила в форму
всю нужную информацию.

Это называется структурой.

Структура — носитель информации.

Без этой структуры функция объекта
была бы совершенно другой.

Теперь посмотрим, как природа
убирает лишние элементы в системе.

Природа не работает с элементами,

в ней нет элементов, которые существуют

отдельно от системы.

Итак,

чем дальше я изучаю тему биомимикрии,

тем больше удивительных открытий
я нахожу в мире биологии.

В то же время
я слышу о невероятных сложностях,

с которыми сталкиваются люди
в прикладных областях.

Мы как будто в параллельных мирах

и не подозреваем друг о друге.

Итак, чем биологи могут помочь
в текущей ситуации,

какие преграды на нашем пути
они могут снять?

Я приведу 12 примеров.

Самый удивительный — самосборка.

Думаю, вы слышали об этом
в контексте нано-технологий.

Вспомним ракушки —
пример самообразующегося материала.

Внизу слева вы видите
перламутровую раковину,

строющуюся из морской воды.
Многослойная минеральная структура,

полимеризованная и очень прочная.

В 2 раза прочнее лучшей керамики.

Только в отличие от керамики,
полученной обжигом,

раковина создана в морской воде.
Выращена живым организмом.

В Национальной лаборатории Сандии

биолог Джефф Бринкер нашёл способ

управлять процессом самосборки.

Представьте, изготовление керамики
при обычной температуре

путём погружения формы в жидкость

с напылением, которое обеспечивает

связывание молекул из жидкости
в нужном порядке,

как в мозаике —

вот что такое
управляемая кристаллизация.

Взгляните на прочные материалы
с этой точки зрения.

Представьте, как с помощью спецпокрытия

можно вырастить любую структуру.

А теперь кое-что для мира IT:

био-силикон. Это диатом из силикатов.

Таким образом силикон,

процесс производства которого —
причина канцерогенных отходов,

может производиться
с помощью био-минерализации.

Калифорнийский университет,
Санта Барбара.

Взгляните на образцы,
созданные Эрнстом Хикелом.

Представьте, что есть возможность

создавать структуры такой сложности

в жидкой среде
и при комнатной температуре.

Можно создавать безупречные линзы.

Слева морская звезда,
покрытая крошечными линзами,

которые преломляют свет
с нулевым искажением

по оценкам специалистов.

Это самые совершенные линзы,
какие можно вообразить.

Вся поверхность звезды покрыта ими.

Удивительно,
но это снова пример самосборки.

Джоанна Айзенберг
изучает в данный момент

низкотемпературный процесс
создания таких линз.

А также ведёт разработки
по волоконной оптике.

Оптоволокно есть в морской губке.

Внутри губки есть оптоволокно,

проводящее свет
куда эффективнее обычного,

при этом оно невероятно гибкое —
хоть узлом завяжи.

Следующая идея —
CO2 как сырьё.

Джефф Коутис из Корнелла задумался том,

что CO2 не считается
опасным отходом заводов в наше время.

Но это не так.

И тогда Джефф придумал,
как использовать CO2.

Он нашёл подходящий реагент

и способ делать из CO2 поликарбонат.
Биоразлагаемый пластик из отходов —

это очень технологично.

Солнечные трансформаторы —
одна из лучших идей.

В ней используются
энергособирающие элементы

из пурпурных бактерий.
И что ещё удивительнее,

за последние 2 недели
удалось выделить энзим

под названием гидрогеназа,
который продуцирует

водород из протона и электрона,
а также поглощает водород —

по сути тот же процесс,
что и в топливных элементах

анодного и реверсивного типа.

В обычном элементе эту функцию
выполняет платина,

природа же обошлась
более дешёвым материалом.

У команды есть
все возможности использовать

этот ловкий трюк природы с водородом.

Для разработки новых топливных элементов —

без использования платины.

Способности формы: кит.
Посмотрите на плавники,

эти мелкие неровности — туберкулы,

снижающие сопротивление;
они могли бы использоваться

на крыльях самолётов,
увеличивая КПД на 32%.

Это древнее изобретение природы,

если бы мы только
догадались его применить.

Цвет без пигмента:
павлин меняет цвет за счёт формы.

Свет падает и отражается от слоёв;

эффект тонкоплёночной интерференции.

Представьте покрытие такого типа,

использующее свет для смены цветов.

Природа создала
совершенные формы поверхностей,

способные к очищению
простой водой — листья растений.

Видите картинку внизу?

Это капля воды с крупицами грязи.

Увеличенное изображение листка лотоса.

По этому принципу
было создано покрытие Лотусан,

создающее на поверхности здания неровности,

за счёт чего здания
самоочищаются во время дождя.

Вода — дефицитный ресурс,

проблема мировой жажды не за горами.

Перед вами 2 существа-добытчика воды.

Слева — намибийский жук,
он добывает воду из тумана.

Справа — жук-шарик,
он добывает воду из воздуха

и только оттуда.

Извлечение воды из тумана в Монтерее
или из влажного воздуха в Атланте,

пока она не осела на зданиях —
один из вариантов.

Технологии сепарации становятся
всё более актуальны.

Что если вместо добывания руды в шахтах

мы бы начали отфильтровывать
металл из сточных вод?

Крупицы металла из воды.
Так делают микроорганизмы;

они фильтруют металлы из воды.

В Сан-Франциско есть компания MR3,

использующая такую технологию
молекулярной фильтрации

для сточных вод шахт.

«Экологичная химия» воды.

Основана на органических растворителях.

На картинке изображён
прядильный орган паука,

тончайший шёлк из паучьих лапок.
Разве это не прекрасно?

Экологичная химия
должна вытеснить промышленную химию.

Это не так просто,
ведь природа использует

лишь малую часть
периодической таблицы.

А мы используем всё подряд,
без оглядки на токсичность.

Отыскать эффективные рецепты
на основе малой части

элементов и создать чудо,
подобное клетке живого организма —

вот задача экологичной химии.

Быстрое разложение:
упаковка хороша ровно до момента,

пока не надоедает вам,
и тогда она быстро разлагается.

Это мидия, живущая в воде.
Она крепится к камню

нитями лимитированного действия.
Ровно за 2 года

они исчезнут без следа.

Медицина.

На картинке микроорганизм тардиграда.

В мире существует проблема с вакцинами,

которые не доходят до пациента.
И одна из причин —

внезапно сломавшийся холодильник;

поломка цепи охлаждения.

Брюс Рознер обратил внимание
на тардиграду,

которая высыхает,
оставаясь при этом живой месяцами,

сохраняя возможность к регенерации.

И тогда он открыл
способ дегидратации вакцины —

поместив их в капсулы сахарозы

по тому же принципу,
что и в клетках тардиграды —

теперь вакцинам не нужны холодильники.

Их можно перевозить в обычном ящике.

Учиться у организмов,

способных обходиться без воды

для создания вакцин,
хранящихся без охлаждения.

Я не буду приводить другие примеры.

Мне хотелось бы
успеть сказать о самом важном:

кроме удивительной адаптации

и потрясающих вещей, которые они делают,

живые организмы
ещё и оберегают среду обитания,

заботясь о своих потомках.

Находясь в самом начале процесса,

они уже следуют важной цели,

что позволяет сохранить
генетический материал неизменным

на 10 тысяч поколений вперёд.

И они находят способ жить и развиваться,

не разрушая среду,
сохраняя её для следующих поколений.

Стиль жизни, который
пока недоступен человеку.

К счастью, в природе
миллионы гениальных творений,

и она жаждет поделиться с нами
своими идеями.

Желаю вам найти с ними общий язык!

Спасибо.

(Аплодисменты)

КА: Предлагаю всё же пробежаться
до 12 пункта, очень быстро.

ЖБ: Уверены?

КА: Да, прошу вас 10-секундные обзоры

с 10 по 12 пункт. Жаль упускать
такие великолепные слайды

и такие грандиозные идеи. Я не переживу,

если не увижу их.

ЖБ: Хорошо, давайте продолжим.

Номер 10.

Сигнал и ответная реакция.

Это цикада. Их плотность
может достигать 80 млн на квадратный км,

и всё же они
не сталкиваются друг с другом.

Каждый год происходит 3,6 млн.
автомобильных аварий.

(Смех)

Учёная из Ньюкасла обнаружила,

что причина в одном нейроне,

и придумала, как создать

избегающую столкновений систему,

работающую по принципу нейронов цикады.

Номер 11 — грандиозный.

Повышение плодородности.

Проблема всех фермерских хозяйств.

Нужно повышать плодородность,
чтобы повысить урожайность.

В условиях
ограниченного пространства планеты

по-другому выжить не получится.

И, конечно, другие организмы
уже делают это.

Экосистемы работают по одному принципу:

они создают всё больше и больше
возможностей для жизни.

Принципы фермерского хозяйства
прямо противоположны.

Фермерство превращает цветущие поля
в земельные угодья,

скотоводство сгоняет животных в стада,

улучшая племенную породу,

даже очистка воды стремится
не просто к получению

чистой воды,

но к созданию
максимально выгодной системы.

12-й — простой и короткий.
Простой на вид,

выработанный природой
за 3,8 миллиарда лет.

Организмы, которые
не смогли найти способ

жить эффективно,
сохраняя среду, в которой созданы,

исчезли с лица Земли.

Об этом 12-й пункт.

Природа — и в этом её главный секрет —

создаёт благоприятные для жизни условия.

Образует плодородный слой,
очищает воздух и воду;

создаёт атмосферу,
идеальную для дыхания.

И в процессе создания среды
чутко перестраивается, учитывает нужды

всех живых организмов.
Всех, а не одного из миллионов.

Мы должны понять
наши реальные потребности

в попытках создать рай на Земле.

КА: Жанин, огромное спасибо.

(Аплодисменты)