ביומימיקרי

משמעות המונח ביומימיקרי היא חיקוי החיים (Biomimicry: Bio=life; mimesis=imitate). ביומימיקרי היא דיסיפלינה רב-תחומית המקדמת חיקוי ולמידה מהטבע לפתרון בעיות בדרכים מקיימות.

גליון אוקטובר 2010

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון אוקטובר של חדשות מהטבע.

כמובטח, בחלוף החגים, החלו מתנדבי הארגון בארץ להפיץ את זרעי הביומימיקרי בשיעורי "מבוא לביומימיקרי" בבתי הספר היסודיים. אנו פוגשים תלמידים סקרניים וחכמים המקשיבים קשב רב ומגלים עניין בנושא. נשמח להרחיב את מעגל המתנדבים למחוזות נוספים בארץ, המעוניינים, אנא פנו אלינו בדואל לתאום מועד ההכשרה. היקף ההתנדבות הוא כמה עשרות שעות בלבד בשנה, אך הסיפוק מלימוד נושא מרתק כמו ביומימיקרי הוא אדיר.

החודש הועברה השתלמות למורי מדעים במחוז מרכז. בהשתלמות נכחו כ- 200 מורים ומורות ואנו תקווה כי את פירות ההשתלמות נראה בעבודות חקר בנושא הביומימיקרי בבתי הספר בשנת הלימודים הנוכחית.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

דג מעופף – מציאות או מדע בדיוני?

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות חוקרים מאוניברסיטת סיאול שבקוריאה חקר את יכולות התעופה של הדג המעופף במנהרת רוח ומצא מודל תעופתי יעיל ביותר ממנו נתן ללמוד ולפתח כלי תעופה חדשים.

ציפורים שמסוגלות לצלול מוכרות לנו, אך מסתבר שישנם גם דגים שהצליחו בכיוון ההפוך - לעוף. הדגים המעופפים המכונים גם דָאוֹ‏נים (שם מדעי: Exocoetidae), אינם עפים כמו ציפור באמצעות תנועות כנפיים, אלא דואים באמצעות סנפיריהם. דגים אלו מאופיינים בסנפירי חזה ארוכים המגיעים אצל מינים רבים עד קצה הזנב ובעזרתם הם מסוגלים לדאות באוויר מחוץ למים כשהסנפירים פרוסים.

דג מעופף מסוגל להישאר באוויר למשך 40 שניות, לנוע למרחקים של עד 400 מטר ולהגיע למהירויות של 70 קמ"ש (!). יכולת זו מסייעת לדג להימלט מטורפים. לאחר חזרתו של הדג למים הסנפירים מתקפלים ונצמדים חזרה לגופו של הדג, על מנת לאפשר לו לשחות.
מהנדס מכאני מאוניברסיטת סיאול שבקוריאה, הוקסם מיכולותיו של הדג המעופף עוד בילדותו, לאחר שקרא ספר מדע בדיוני על דגים מעופפים. לאחר שהבין שדג מעופף אכן קיים במציאות, החליט לחקור את מנגנון התעופה שלו על מנת להבין כיצד דגים אלו מצליחים להישאר זמן רב באוויר.

במחקר תעופת הדגים חושב יחס עילוי לגרר (יחס גבוה מעיד על יעילות גבוהה יותר) והיחס בין המרחק האופקי לגובה שעברו הדגים. נמצא שדגים אלו דואים טוב יותר מחרקים וטוב כמו למשל ציפור היסעור. בנוסף, נבדקה יציבות הדג במצבים שונים. במצב של מעוף, כאשר הסנפירים פרוסים הדג היה יציב ביותר, אך במצב של שחיה, כאשר הסנפירים משוכים לאחור, הדג לא היה יציב. באופן זה דגים מעופפים מותאמים לסביבת החיים גם באויר ,שם דרוש מעוף יציב, וגם בים, שם דרושה דווקא חוסר יציבות על מנת לתמרן במים.

החוקרים בדקו מה התועלת האווירודינאמית מדאייה קרוב לפני הים על מנת להבין מדוע הדגים המעופפים דואים בדרך כלל קרוב למשטח האוקיאנוס. נמצא שהיחס עילוי לגרר גדל כאשר הדגים דאו קרוב לרצפת מנהרת הרוח, וכאשר רצפה זו הוחלפה במיכל מים, יחס העילוי לגרר אף עלה, ואפשר לדג לעוף רחוק יותר. נראה שדאייה קרובה למשטח הים עוזרת לדג לעוף רחוק יותר.

לבסוף ניתחו החוקרים גם את זרמי האוויר מסביב לסנפירי וגוף הדג. נמצא שהמבנה של סנפירי החזה הנמצאים בסמיכות לסנפיר האחורי מאיץ את זרימת האוויר לעבר הזנב כמו סילון , מגדיל את יחס העילוי לגרר יותר ומשפר עוד יותר את ביצועי התעופה שלו.

יצורים מעופפים תמיד היוו מקור השראה וחיקוי לפיתוח דגמי תעופה. יעילות התעופה של דגים מעופפים מהווה מודל מעניין לחיקוי ולמידה וצוות החוקרים כבר הודיע שהוא שואף לבנות מטוס המנצל את האפקטים האווירודינאמיים של תעופה בסמוך לרצפה, בהשראת טכנולוגיית הדג המעופף.

לקריאה נוספת

חיידקי מעיים ומערכות הפעלה ממוחשבות

הגנום משול למערכת ההפעלה של האורגניזם. במחקר באוניברסיטת ייל שבארה"ב חקרו את השונה בין שתי המערכות כדי להבין למה לגנום נקודות כשל מעטות יותר מאשר למערכת ההפעלה לינוקס. המסקנה היא כי אי התלות בין תפקוד הגנים המווסתים הוא המפתח לאבולוציה טובה יותר גם במערכות ההפעלה.

לפי מחקר מאניברסיטאת ייל שבארה"ב בהנחיתו של פרופ' מרק גרשטיין (Mark Gerstein), מערכות בקרה הנדסיות, לעומת אורגניזם חיים נוטות ליותר תקלות. החוקרים בחנו את אבולוצית מערכות התפעול של מחשבים לעומת אורגניזם. ההשוואה עסקה ברשתות בקרה של חיידק המעיים המוכר ה- E-Coli ומערכת ההפעלה לינוקס (Linux). בבסיס המחקר הטענה כי הגנום הוא למעשה מערכת ההפעלה של האורגניזם החי.

הגנום של ה- E-Coli ורשת הלינוקס הן מערכות היררכיות, אך עם מספר הבדלים בעיקר באופן ההגעה ליעילות תפעולית. הרשת המולקולרית של החידק בנויה בצורת פרימידה, עם מספר מועט של גנים מווסתים בקצה, אשר מבקרים בסיס רחב של פונקציות ספציפיות הפועלות באי-תלות.
E-Coli
מערכת ההפעלה של לינוקס, לעומת זאת, מאורגנת בצורה המדמה פרמידה הפוכה, כאשר מעט פונקציות גנריות נשלטות על ידי הרבה פונקציות מערכת שונות.

פועל יוצא ממבנה הפרמידה ההפוכה הוא שכל שינוי או עדכון שגרתי של מערכת בקרה אחת יכול להיות הרסני למערכת כולה. למנוע תקלות שמקורן במבנה זה, המהנדסים עוסקים רבות בכוונון ותחזוקה של המערכת באופן שיגרתי.

אם משווים את המערכת הזו לאורגניזם כמו חיידק ה E-Coli, המצב שונה: ללא כיוונון, הפרעה משמעותית לרשת המולקולרית, למשל על-ידי מוטציה, תהיה הרסנית. לכן לחיידק אין מערכת של רכיבים כלליים, אלא ארגון בו יש יחידות עם התמחות ספציפית. מבנה זה שרד מליארדי שנות אבולוציה והגן על האורגניזם ממוטציות אקראיות שיכלו להסב לו נזק.

למקור הידיעה

אורגניזם החודש - מפציצנית מרעישה

ערכה: מאיה גבעון

לעיתים קרובות כשאנו נתקלים בשמם המדעי העברי של מיני בעלי חיים שונים, הדבר מעורר תמיהה, גיחוך ולעיתים פרץ צחוק קל (ראו לדוגמא ימשוש ופרעושית משלשלת). גם אורגניזם החודש שלנו ניחן בשם משעשע, אם כי מוצדק בהחלט.

המפציצנית המרעישה (Brachynus crepitans) היא חיפושית יבשה, שאינה מסוגלת לעוף. אולי כדי לפצות על כך, חננה אותה אמא טבע ביכולת לא פחות מופלאה. כאשר היא מותקפת, המפציצנית מסוגלת להתיז נוזל רעיל בטמפ' של 100°c(!) במהירות ובלחץ גבוה תוך כדי השמעת רעש אופייני וכך להרתיע טורפים הגדולים ממנה בהרבה.

לא רק שגוף החיפושית מסוגל ליצור ולהכיל נוזלים בטמפ' גבוהה ביותר וכן לשלוט ברצף, בכיוון ובמהירות ההתזה – אלא שגם כל התהליכים הללו מבוצעים על ידי אברון אחד זעיר בבטן החיפושית, שגודלו כס"מ בלבד. האברון מתפקד כתא מבודד, בו נערכת תגובה כימית אקזותרמית (פולטת חום), שנשלטת על ידי שרירים ושסתום ייחודי. תכונה זו הפכה את החיפושיות המפציצניות לכוכבות של צוותי מחקר רבים.

אחד מצוותי המחקר בראשותו של פרופסור אנדי מקינטוש מאוניברסיטת לידס, השתמש בחיפושית כמודל לבניית תא יחודי שאורכו שני ס"מ והוא מסוגל להתיז נוזלים למרחק של עד ארבעה מטרים, או ליצור עננת תרסיס תוך שליטה מלאה על טמפ', מהירות וגודל טיפות הנוזל. טכנולוגיה זו זכתה לשם µMistTM ויכולה להוות בסיס ליישומים רבים, החל ממנגונים יעילים יותר להזרקת דלק, ועד שיפור מנגנוני ספיגת תרופות.

קיימים כ-500 מינים שונים של מפציצניות, לכל אחד "טכניקת הפצצה" מעט שונה – פוטנציאל אדיר ללמידה וחידושים, וזאת ממין אחד בלבד...

למקור הידיעה

המלט הדביק של הצדפה

דר' וילקר מאוניברסיטת Purdue פיענח את מבנה דבק הצדפות. דבק אשר בשונה מדבקים שמקורם בבעלי חיים ימיים, נראה כמו מלט, קשה כמו מלט אבל - בעל יכולת הדבקה של דבק.

חיפוש אחר דבק יעיל, ידידותי לסביבה, אשר ניתן להשתמש בו גם בסביבה רטובה ממשיך לצבור תאוצה. ככל שהתקנים הסביבתיים הופכים מחמירים יותר, כך, יותר ויותר מהנדסי חומרים פונים לחיפוש ומחקר ביומימטי. צדפת האבלון, האצות, השממית, כולן נתנו השראה לפיתוח דבקים ידידותיים לסביבה.
כחלק מהמאמץ העולמי לפיתוח דבקים ביומימטים, ג'ונתן ווילקר (Jonathan Wilker) מאוניברסיטת Purdue שבמערב ארה"ב, חוקר את אופן ההדבקה של צברי צדפות מהסוג צדפה מזרחית מצויה (Crassostrea Virginica) ליצירת שוניות יחודיות.

הצדפות נצמדות הן לסלעים אך גם זו לזו על מנת להתמודד טוב יותר עם טורפים ועם הגלים והמערבולות האופיניים לאוקינוס.

החוקרים הצליחו לקבוע את הרכב הדבק המחבר את הצדפות זו לזו באמצעות השוואת החומר המרכיב את מעטפת הצדפה לזה המחבר בין הצדפות. מניתוח הרכב החומר, נמצא שחומר ההצמדה מכיל פי חמש יותר חלבון וכן יותר מים מאשר בהרכב מעטפת הצדפה. מבנה החומר השונה, מצביע על כך שהצדפה מיצרת חומר ייעודי לצורכי ההדבקה. ווילקר אשר חקר גם את מנגנוני ההצמדות של צדפות אחרות וכן של ספחת (Barnacle) מצא כי בחומר ההצמדה שחקר יש יותר חומר אנארוגני (דמוי מלט) מאשר בחומרי ההצמדה האופיניים לבעלי חיים ימיים אחרים. כמו-כן, חומר ההצמדה של הצדפות מכיל 90% יותר סידן קרבונט (חומר הגיר). סידן קרבונט לכשעצמו איננו דביק ולכן ווילקר מניח שסוד ההדבקה טמון בשילוב 90% סידן עם 10% החלבון.

Photo courtesy of Jonathan Wilker/Purdue University
ניתן לחשוב על אפליקציות של דבקים בהשראת הטבע בכל תחומי החיים: מרפואה (כדבק להדבקת מכשור רפואי מושתל ועד לדבק רפואי להדבקת רקמות), לתעשיית העץ והמתכת, לתעשיית המחשבים ועוד.

פרט לפיתוח חומר הצמדה ידידותי יותר לסביבה, הבנת מבנה חומרי ההצמדה של בעלי החיים הימיים, יכול לסייע בפיתוח חומרי ציפוי לכלי שייט שימנעו את ההצמדה של אותם בעלי חיים ימיים לכלי השיט – פעולה שכיום מצריכה שימוש בחומרים רעילים לים ולאדם.

מין שנכחד הוא מורה שאבד - אוכלוסית הצדפות הצטמצמה בכ- 98% (!) במאתיים השנים האחרונות כתוצאה מזיהום מתמשך, דגה מוגברת ומחלות.

לקריאה נוספת

עלה מלאכותי המייצר חשמל

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות חוקרים מאוניברסיטת צפון קרולינה פיתח מתקן ליצור חשמל סולארי המחקה את תהליכי הפקת האנרגיה בעלים ובנוי מג'ל על בסיס מים. הצוות הראה שמתקן זה יכול לתפקד כתא סולארי. הטכנולוגיה עדיין לא בשלה אך היא בעלת פוטנציאל להחליף את התאים הסולארים הנפוצים הבנויים משכבות סיליקון.

בתהליך הפוטוסינתזה מייצרים העלים תרכובות אורגניות באמצעות אור השמש, מים ופחמן דו חמצני. תהליך טבעי זה המנצל ביעילות את אור השמש להפקת אנרגיה, עורר את סקרנותם המדעית של קבוצות מחקר שונות בעולם.

אחת הקבוצות המנסה לפתח "עלה מלאכותי" המייצר חשמל היא קבוצת מחקר מאוניברסיטת צפון קרוליינה שפרסמה לאחרונה את תוצאות מחקרה אודות תאים סולאריים הבנויים שכבות של ג'ל על בסיס מים.
המתקן הגמיש מורכב מג'ל שאליו הוחדרו מולקולות רגישות לאור. באחד הניסויים החוקרים אף השתמשו בכלורופיל מצמחים יחד עם אלקטרודות המצופות בחומר פחמני כמו גרפיט. המולקולות הרגישות לאור מעוררות ליצר חשמל בנוכחות קרני השמש בדומה למולקולות של צמחים המעוררות לייצר גלוקוזה.

מהתוצאות עולה כי הרעיון של מתקנים אלו, המבוסס על חיקוי תהליכים טבעיים יוכל בעתיד לשמש אלטרנטיבה לטכנולוגיות הנוכחיות. תאים אלו הם בעלי פוטנציאל להיות זולים יותר מתאים סולאריים מבוססי סיליקון ואף ידידותיים יותר לסביבה. בינתיים, היעילות של מתקנים אלו נמוכה.

האם בעתיד נוכל לכסות את גגות בתינו בשכבות של "עלים מלאכותיים" וליצר חשמל?

למקור הידיעה