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.

חדש(נ)ות מהטבע דצמבר 2015

קוראים יקרים שלום,

"בּתַחֲנַת האוטובּוסים/ יַלדָה נָשאָה עָלֶה גדול/ שֶנָשַר זָהֹב מפִיקוס/ חֵן גָדול שוָה לָה/ וגַאֲוַת ילָדים פִּעֲמָה/ בְּרוּחָה המתוקָה/ כִּמניפָה עַתיקָה היה בְּכַפָּה/ לְחֻמוֹ האַכזָר של אָב/ או כְּשַרבִיט מַלכוּת נָדיב/ של אֵלַת העָלִים הנִצחית/ עָלֶה כָּזה כבר אֵינו צַעֲצוע/ בַּרבִּיוֹת ורובּוטים השכִּיחוהו/ מפָּעוטות וְהורים כְּאֶחָד/ הרי אינו נִמכָּר בַּחֲנֻיות/ ועֶרכּו לא יִמָדֵד בְּכֶסֶף".

 מאת גלדמן מרדכי, קו לילה, בהוצאת קשב לשירה
רגע לפני שהשנה מסתיימת, נספר לכם על מספר תופעות טבע מעניינות מרחבי העולם, מתחת ומעל האדמה, באויר בים וביבשה.
בהזדמנות זו אנו רוצים להודות לכל המתנדבים, הכותבים והאנשים שעוזרים לנו להפיץ את הבשורה. תודה מיוחדת לגב' ניצה הילל העורכת הלשונית של הידיעון על עבודה מסורה ויסודית. 

בימים הקרובים תחל ההרשמה לקורס ביומימיקרי בשיתוף לשכת המהנדסים. פרטים בקרוב !

בברכת קריאה מהנה, ושנת 2016 מלאת השראה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

סיפורו של ברווזן

מאת: ד"ר צביקה סלובין

"לאלוהי הבריאה היה יום קשה" מספר הביולוג דוקינס בתארו את הברווזון, "מספר חלקי חילוף נותרו פזורים בסדנת הבריאה והבורא החליט לאחד אותם לכלל יצור כלאיים". 

הברווזן platypus (Ornithorhynchus anatinus), הוא יונק פרוותי, בעל איבר דמוי מקור ברווז וקרומי שחייה בכפותיו (ומכאן שמו העברי), הוא מטיל ביצים והא גם ארסי (רעל עצבי מתוחכם ומסוכן). אכן בן-כלאיים של יונק, עוף וזוחל.
המקור של הברווזן נראה מעט קומי, דומה למקור הברווז ומוגזם בגודלו, מעין קריקטורה לדונלד דק. אך הומור אינו עושה צדק עם המכשיר המופלא הזה. תיאור מתאים יותר יהיה אפו המגודל של מטוס המודיעין הבריטי "נמרוד", שבו מכ"מ סריקה. ה'מקור' של הברווזן אינו עשוי עצם כמקורו של הברווז, זהו איבר גרמי ומזכיר גומי במגע, אך זאת לדעת – זוהי מערכת אלקטרו-לוקציה לעקיבה וגילוי, מכ"מ תוצרת הטבע.
הברווזן ניזון מסרטנים, רכיכות ותולעים השוכנים בקרקעית הבוצית של נחלים בדרומה של אוסטרליה ובטסמניה. במים הבוציים ובחשכת הקרקעית, עוצם הברווזן עיניו, סוגר את נחיריו ואת אוזניו (הוא  מסוגל לאטום את אוזניו באופן רצוני – תופעה ייחודית בעולם החי). הוא לא רואה, לא שומע ולא מריח את טרפו, ולמרות זאת יעיל במשימתו, וצורך מידי יום כמחצית ממשקל גופו. הכיצד?
 אחד הגילויים האנטומיים הראשונים היה כי הסתעפויותיו של העצב הטריגמינלי (Trigeminal nerve) המעצבב ביונקים את הפנים, גדול אצל הברווזן עד פי-10 מהמצופה, ונפרש הומוגנית על-פני "המקור". "המקור" חש למרחוק ועושה זאת באמצעות שדות חשמליים.

כאשר בעל-חיים (לדוגמא: שרימפס מים-מתוקים המהווה את מזונו העיקרי של הברווזן) מפעיל את שריריו, שדות חשמליים מזעריים מתפשטים בתווך המימי. בהינתן חיישן רגיש וכוח חישוב, ניתן לאכן את מקור השדה. לברווזן 40 אלף חיישנים, המפוזרים באופן אחיד על-פני ה'מקור'. אך לא זו בלבד, בסמיכות לכל חיישן חשמלי נמצא חיישן מכני, הרגיש לאדוות המים החלשות ביותר (Push Rod sensor).  כשם שהמוח מרכיב תמונת עולם סטריאוסקופית (תלת ממדית) מאינפורמציה המתקבלת משתי עיניים, בונה מוח הברווזן תמונת עולם כזו מהרכבת המידע האלקטרו-מכני. כיצד הדבר נעשה? החוקרים Jack Pettigrew[1] ו-Paul Manger מציעים את אנלוגיית הברק-והרעם. הבזק הברק ונפץ הרעם מבליחים יחדיו בזמן-מרחב, את הברק רואים מיד, בעוד הרעם נשמע אחריו. מהירות התפשטות גל הקול נמוכה (גל לחץ מכני באטמוספירה) ונדרש לרעם זמן ארוך יותר להגיע לשומע. נשתמש באנלוגיה זו, השדה החשמלי אותו מחולל הטרף הוא הברק, בעוד ההפרעה המכאנית של פעולת שרירי החיה, הן האדוות - הרעם. הברווזן מחשב את הפרש זמני ההגעה בין השדות ומכך את מרחקו מהטרף.
הברווזן מחפש אחר הטרף תוך סריקה מחזורית לצדדים של "המקור", כפי שצלחת המכ"מ סורקת את המרחב. פעולה זו מאפשרת הפרדה מרחבית של האותות ובניית תמונת עולם תלת-ממדית של העולם סביבו (עולם החי, יש לציין).
                                            
האם בעתיד נצליח למשל לאתר ניצולים בהריסות באזורי אסון באמצעות מנגנון האיתור של הברווזן?

אורגניזם החודש: על תולעי ענק וחיים במעמקי האוקיינוס

מאת: עדי וייס

נביעות הידרותרמיות הן תופעה עתיקה שמתרחשת על קרקעית אוקיינוסים, לרוב לאורך אזורי החפיפה בין הלוחות הטקטוניים. ב-1977 איתרה הצוללת Alvin במעמקי האוקיינוס השקט מערכת אקולוגית חדשה שהתבססה על נביעות כאלה, מהשכבות הפנימיות של קרום כדור הארץ כלפי מעלה, דרך בקעים בקרקעית האוקיינוס. המינרלים היוו את המקור לפירמידת מזון שלמה של חסרי חוליות. אזורים אלה ידועים כיום כ-''נווי מדבר באוקיינוס'' והם מושכים אליהם מגוון חסרי חוליות.
בבסיס המערכת האקולוגית עומדים חיידקים כימוסינתטיים, שאינם זקוקים לאור שמש כדי לייצר אנרגיה. הם משתמשים במימן גופרתי, (תרכובת שנחשבת למסוכנת) ובפחמן דו חמצני ביחד עם מים, ומייצרים סוכרים ותרכובות המאפשרות קיום חיים.
קבוצת החוקרים גילתה כי החיידקים מתקיימים בסימביוזה עם אורגניזם ענק- תולעת צינורית, שאורכה מגיע עד כ- 2.4 מטר. התולעת, ששמה ריפטייה (Riftia Pachyptila) , שייכת למחלקת התולעים הרב זיפיות, והיא צמודה למצע שעליו היא גדלה כל חייה. כדי לקיים את גופה היא זקוקה לכמות רבה של סוכרים, אותם היא מקבלת מהחיידקים המאכלסים את גופה ומעניקים לו את צבעו האדום. 

בקצה העליון של גוף התולעת נמצא איבר אדום וגמיש דמוי נוצה ולו זרועות (tentacles) שתכליתן להחליף חומרים עם הסביבה. הגוף עצמו הוא צינור כיטיני גמיש בצורת צילינדר. לתולעת אין מערכת עיכול אלא איבר ששמו טרופוזום, שהוא מעין סדרת חללים מרושתים במערכות הובלה. בתוכו יש שכבות של חיידקים. החיידקים מוצאים מחסה בתוך הצינור, ותודות למעבר מים, המסיעים אליהם מינרלים ותרכובות מסיסות אחרות, הם אינם צריכים לזוז ממקומם.
הסימביוזה בין התולעת והחיידקים מתקיימת בתנאי קיצון מרשימים; מחסור בנוטריינטים, שלרוב מגביל התפתחות חיים בחושך, נמנע בזכות החיידקים. בנוסף, גוף התולעת חייב לעמוד בלחץ של מאות אטמוספירות כל חייו. זה מתאפשר בזכות המבנה הצינורי העשוי כיטין- חומר טבעי קשיח, שמצוי גם בקוטיקולה של חרקים. טווח הפעולה של החיידקים שאימצה התולעת מותאם לטמפרטורת מי האוקיינוס המעורבבים עם הנביעות הרותחות, ונע בין  c°2-c°30.
לגילוי האקוסיסטמה הזו השלכות מכריעות על הבנת תהליכים מקיימי חיים. כבר יש תיאוריות הגורסות כי סביבות חיים אלה הן המקור להתפתחות החיים הראשוניים. בנוסף, יש פוטנציאל גדול בהבנת תהליכים מייצרי אנרגיה שאינה תלויה באור השמש, ושאינה פולטת חומרים מזהמים לסביבתה. כמו שאנו רואים בנביעות ההידרותרמיות - גם חומרים מסוכנים יכולים להפוך באורגניזם הנכון למקור אנרגיה זמין. 

לנסוע על אדים

מאת: אופיר מרום

מכונית זעירה, המופעלת על ידי חיידקים ומים מתאדים, היא ההמצאה האחרונה שיצאה מהמעבדה של פרופסור Ozgur Sahin מאוניברסיטת קולומביה, המשוכנע שניתן לרתום לחות העולה מכל גוף של מים כמקור של אנרגיה מתחדשת.
המדע תמיד מחפש דרכים חדשות כדי לנצל מקורות אנרגיה טבעיים - טחנות רוח, פנלים סולאריים ומשאבות חום גיאותרמיות הן דוגמאות נפוצות לכך, אך רק לעיתים נדירות אנו עדים להמצאה של  טכנולוגיה חדשה, המסוגלת להפיק אנרגיה ממקור שלא היה מנוצל עד כה. זהו המקרה של חיבור בין אדי מים ונבגים.
מינים מסוימים של חיידקים הופכים לנבגים כשהם נחשפים לתנאי סביבה קשים. נבגים אלה הם מעין קפסולה, המאפשרת להם לשמור על חיות בסיסית עד אשר ישתפרו התנאים (למשל בנוכחות מים), והנבגים יוכלו להפוך שוב לחיידקים פעילים. זוהי תופעה ידועה ומוכרת שמאפשרת לחיידקים לשרוד. בטבע קיימים מנגנונים דומים בהם האורגניזמים מגיב באופן מכני לתנאי הסביבה, כמו האצטרובל שנפתח בסביבה חמה ויבשה, או פרח החמנייה שיודע לעקוב אחר מסלול השמש. תגובות "אוטומטיות" אלו מאוד מושכות לחיקוי, מכיוון שהן נראות פשוטות לכאורה. כך גם במקרה הנוכחי. 
המחקר צמח מתוך פרויקט מוקדם יותר במעבדתו של פרופ' Ozgur , בו חקר צוות מדענים את תהליכי ההתכווצות וההתרחבות של הנבגים ואת כמות האנרגיה הדרושה לכך. לאור התוצאות עלה הרעיון לרתום אנרגיה זו לשימוש מעשי. אך כיצד ניתן לעשות זאת? הבעיה שנבג בודד הוא קטן מאוד. סמ"ר אחד יכול להכיל כעשרת אלפים נבגים. תרומתו של נבג בודד חסרת ערך, ולכן פתרון פרקטי יהיה חייב לשלב את כוחם של מיליוני נבגים שונים. הפתרון שנמצא הוא לערבב את מיליוני הנבגים עם דבק מדולל ליצירת סוג של משחה, אותה מרחו על סרט פלסטיק דק עד לייבוש. באופן כזה, הפכו המדענים את סרט הפלסטיק למעין שריר שמתכווץ ומתרפה כתלות באחוז הלחות אליו הוא חשוף. השלב הבא היה להפוך את יחידת הבסיס הזו למכונה נעה. כפי שניתן לראות בסרט המצורף, שימוש מחוכם בסרטי הפלסטיק אפשר לבנות מערך תריסים שנפתח ונסגר, וכן גלגל שמסתובב ומניע כלי רכב זעיר רק בזכות אדי מים. הנבגים שבהם נעשה שימוש נפוצים, אינם מזיקים ונמצאים בכל מקום באדמה. למרות שהמודלים הראשונים נראים כמו משחק ילדים, החוקרים מאמינים שבעתיד תוכל להתפתח הטכנולוגיה לכדי יישומים משמעותיים. בשלב זה אומנם משתמשים בנבגים עצמם (Bio-extraction), בשלב הבא, עם פיצוח המבנה הפונקציונלי של הנבגים יתאפשר חיקוי מלאכותי של מנגנון זה, ואולי יום יבוא ונוכל, בזכות מכונית שכזו, למצוא פן חיובי ללחות הכבדה ששוררת בימי הקיץ בארצנו.

Like-a-Fish (כמו דג)

מאת: יעל הלפמן כהן

אלון בודנר, יזם ומהנדס, נשאל על ידי בנו הצעיר אם אנשים יכולים לנשום מתחת למים כמו דגים.
השאלה הניעה מחקר, שהוביל לפיתוח מערכת נשימה תת מימית, המשתמשת באוויר המומס במים לצרכי נשימה תת מימית בצוללות, במגורים תת ימיים או בצלילה אישית.
"הדגים יודעים לעשות את זה, אז למה לא אנחנו? " הניח בודנר בתחילתו של תהליך הפיתוח, לפני כעשור. בודנר למד שניסיונות לחקות באופן מלא את מערכת הזימים הביולוגית של הדגים לא צלחו, והציע כיוון אחר: ניצול האוויר המומס במים לצורך נשימה. גם הדגים משתמשים באוויר המומס במים, אך מכיוון שהריאות שלנו זקוקות לחמצן במצב צבירה של גז, הרי שבנוסף להפרדה מהמים יש צורך גם להפוך את האוויר המומס ממצב צבירה נוזלי לגז.
יש יותר מ- 10 טריליון דגים בים, וכולם זקוקים לחמצן לנשימה. באופן טבעי יש חמצן מומס במים, הנכנס לאוקיאנוסים מהאטמוספירה בתהליך של דיפוזיה, ואז מתפשט לעומק כתוצאה מתהליכי השוואת לחצים. כמות האוויר המומס שנמצא במים בטמפרטורה של °20 הוא כ- 1.5% מנפח המים (במצב גז), וככל שהמים יותר קרים יש בהם יותר אוויר מומס. חמצן מהווה כ- 34% מהאוויר שבמים (בהשוואה לכ- 21% באטמוספירה). בנוסף, כמות האוויר (והחמצן) המומס במים כמעט ולא משתנה, לפחות עד עומק של 200 מטר. מכאן שיש כמות אדירה של חמצן מומס במים, ואותו אפשר להפריד מהם ולנצלו לצרכי נשימה תת מימית.
הפרדת האוויר מהמים מבוססת על 'חוק הנרי', על פיו כמות הגז שאפשר להמיס בנוזל נמצא ביחס ישר ללחץ על פני הנוזל (בלחץ גבוה יותר אפשר להמיס יותר גז, ולהיפך). מכאן, שאם ניקח נוזל עם גזים מומסים בלחץ כלשהו במצב רוויה ונפחית את הלחץ, ייווצר מצב של רווית-יתר, וחלק מהגזים ייצאו מתוך התמיסה. תופעה מוכרת כאשר פותחים בקבוק של משקה מוגז. תהליך טבעי זה נוצל להפרדת הגז מהמים במערכת שפותחה.
עד כה נבנו שני אבות-טיפוס ונרשמו פטנטים בארה"ב ובאירופה. קבוצה איטלקית המפתחת צוללת מתכננת להשתמש במערכת like-a-fish עבור אספקה של אוויר לצוות. ארגון בשם: Human Underwater Society מפתח בימים אלה מעבדה תת-ימית ליד האי טהיטי, וגם שם הכוונה להשתמש במערכת זו.
זוהי דוגמא לפיתוח בהשראת יכולות הנשימה התת מימיות של הדגים. היישום עצמו אמנם אינו מבוסס על חיקוי מדויק של פעולת המערכת הביולוגית, אך המוטיבציה למחקר הגיעה מהרצון לחקות יכולת זו, בעוד היישום נשען על חוק טבעי, במקרה זה, חוק כימי.

למידע נוסף: www.likeafish.biz