“Das Leben, ähm, findet einen Weg.” Evolution zum Mars zu gehen

Mars, der vierte Stein von der Sonne. Vergrößern / Mars, der vierter Felsen von der Sonne. NASA

Wie der Philosoph und Mathematiker Jeff Goldblum einmal sagte: „Leben, äh, findet einen Weg. ”

Um das wissenschaftlicher auszudrücken, hat die Evolution Milliarden gehabt von Jahren des Versuchs und Irrtums, um Arten zu produzieren, die gut sind chemisch und physikalisch angepasst. Viele menschliche Forscher wollen Imitieren Sie diese Anpassung, indem Sie Lehren aus der Natur ziehen in Technik, Technologie und Architektur umsetzen. Das Das gesamte Unternehmen firmiert unter dem Namen “Biomimicry”.

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Haben Sie ein wissenschaftliches Problem? Stehlen Sie der Natur eine Antwort

„Ich finde die Biomimik wirklich schön“, sagt Ariel Ekblaw, a Student am MIT Media Lab, Gründer und Leiter des Media Lab Weltraumforschungsinitiative. “Es ist sowohl ein Framework als auch … ein Set von Werkzeugen oder Erkenntnissen aus der Natur, die modern informieren können Ingenieur- und Wissenschaftsforschungsprojekte. “

Um das Spektrum der Biomimikry-Forschung kennenzulernen, besuchte ich a dreitägiger Workshop mit dem Titel „Nature-Inspired Exploration for Luft- und Raumfahrt. “Der Workshop wurde von Glenn Research von der NASA gesponsert Center, das Ohio Aerospace Institute und Great Lakes Biomimicry. Trotz des Schwerpunkts in der Luft- und Raumfahrt reichte das Programm von direkt bis direkt Biologie zu philosophischen Fragen über die Gründe dafür Biomimikry überhaupt.

Für Innovationen an der Natur festhalten

Das klassische Beispiel für Biomimikry ist Velcro®. Im Jahr 1941 Schweizer Ingenieur George de Mestral ließ sich von festhaftenden Graten inspirieren Fell seines Hundes, um das heute bekannte Befestigungssystem auf winzige Haken und Schlaufen.

Aber Velcro® scheint im Vergleich zur modernen Biomimikry primitiv zu sein projekte. Forscher schauen sich Walflossen an, um sie zu verbessern Windturbinendesigns, Schilf (Phragmites australis) zu muffeln Geräusche von Flughäfen und Seitenwindschlangen, um Roboter zu bauen, die kann schwierige Pisten erklimmen. Andere untersuchen Organismen, in denen sie leben extreme Umgebungen – hochgelegene Wüsten, Tiefseevulkane Entlüftungsöffnungen, Antarktis – um zu verstehen, wie Menschen leben könnten Ressourcenknappe Orte, ob auf der Erde, auf dem Mond oder auf dem Mars.

Das Kernziel des NASA-Workshops zur Biomimik war Zeichnen zusammen Menschen aus vielen Disziplinen in der Hoffnung zu fördern Kooperationen mit der NASA für die Zukunft der Luft- und Raumfahrttechnik. Viele NASA-Forscher interessieren sich deshalb für Biomimik verspricht pure Effizienz, ein Muss angesichts der hohen Kosten von Materialien in den Weltraum transportieren. Aber es gibt auch die Aussicht auf die Notwendigkeit, Dinge vollständig zu transportieren, entfällt. Organismen bauen sich aus den verfügbaren Rohstoffen ihrer Umwelt, in Form von Lebensmitteln (wie auch immer definiert) und Umweltquellen von Wasser.

Zum Beispiel, wenn ein Marslebensraum gebaut oder zusammengebaut werden könnte selbst aus modularen Komponenten – unter Verwendung von Materialien, die auf dem Mars erhalten wurden selbst würde es möglicherweise eine enorme Menge an Masse sparen Start von der Erde. Das wiederum führt zu Kraftstoffeinsparungen, Möglicherweise kann das Raumschiff andere wichtige Gegenstände tragen Ladung.

Growing food and creating a livable environment are two Technische Ihr ausforderungen auf dem Mars, die genauso wichtig sind wie das Herstellen  Treibstoff.  Reale Lösungen werden sich leider wahrscheinlich ein wenig davon unterscheiden  Das  Martian's depiction.Vergrößern / Anbau von Nahrungsmitteln und Schaffung eines lebenswerten Umfelds sind zwei engineering challenges on Mars that are just as important as makingfuel. Real-world solutions will, sadly, probably differ a bit fromDie Darstellung des Marsmenschen. Der Marsmensch

Grüne Konzepte

„Die Biomimikry selbst ist nicht gerade ein neues Konzept. Es ist eigentlich ziemlich alt “, sagt Teresa McNulty, die an der Biomimicry studiert Zentrum der Arizona State University. „[Antike Zivilisationen] würden nimm auf, was sie in der Natur beobachten und verwende es dann auf irgendeine Weise bessere Designs und neue Technologien zu informieren. “

Die moderne Biomimikry-Forschung greift diese alten Ideen auf und gilt sie auf systematische Weise. Das Feld ist von Natur aus interdisziplinär, bringt Biologen, Robotiker, Materialien Wissenschaftler und Ingenieure aller Geschmacksrichtungen. Im Gespräch mit der Biomimik Forscher ist es nicht ungewöhnlich, Menschen mit mehreren Abschlüssen zu finden auf scheinbar verwandten Gebieten – wie Ingenieure, die jetzt Motten studieren Flügel oder Feldarbeit in Südamerika.

McNulty beispielsweise war in der Metallurgie und im Materialbereich tätig Wissenschaft zuvor. Ihr Interesse an der Biomimik geht weitgehend auf eine starkes Interesse an Nachhaltigkeit.

„Die Natur verwendet auf elegante Weise eine kleine Menge von Materialien Periodensystem der Elemente und tatsächlich in der Lage zu fertigen Materialien mit Umgebungstemperaturen “, sagt sie.

Mit anderen Worten, ohne die Fähigkeit, das drastisch zu verändern Temperatur oder Chemie ihrer Umwelt wie Menschen, Organismen wachsen, konsumieren und reproduzieren mit den Ressourcen und Bedingungen, die sie zur Verfügung haben. Im Gegensatz dazu ist die menschliche Produktion in Industrienationen sind oft auf hohe Temperaturen angewiesen, ineffizienter Wasserverbrauch und schwer zugängliche Materialien extrahieren oder recyceln (wie die Seltenerdelemente, die für Elektronik). Doch ohne die Fähigkeit, das drastisch zu verändern Temperatur oder Chemie ihrer Umwelt wie Menschen, Organismen wachsen, verbrauchen und vermehren sich mit den Ressourcen, die sie haben zur Verfügung haben.

Das bedeutet nicht unbedingt, dass “Natur” (lose definiert) das hat die beste oder effizienteste Art, Dinge zu tun, oder die Biomimikry der einzige Weg, um Dinge wie die Ressourcenextraktion zu verbessern und Maschinenbau. Vielmehr können wir die bekannten Erfolge von analysieren Evolution und verwenden Sie sie als Modell für die Verbesserung der aktuellen Praxis. Es ist ein Thema, das im Laufe der Zeit immer wieder auftaucht Naturinspirierte Exploration für die Luft- und Raumfahrt.

“Eine Sache, die mich an der Biomimikry wirklich interessiert, ist die Nachhaltigkeit ist im Kern fest verankert “, sagt McNulty. Das umfasst die Beseitigung oder Minimierung von nicht recycelbarem Abfall. Letztendlich, Sehr wenige Abfallprodukte von Organismen können von keinem anderen verwendet werden Organismus. „Ich hoffe wirklich, dass durch die Nutzung der Biomimik auf einem System Ebene erhalten Sie auch ein nachhaltigeres Materialsystem von Wiege zu Grab, in diesem Fall gibt es „Grab“ nicht wirklich nicht mehr.”

The axolotl, a salamander capable of regenerating lost limbs, was unter den in einem American Museum of Natural ausgestellten Kreaturen  History exhibit on extremophiles in recent years.Vergrößern Der Axolotl, ein Salamander, der verlorene Gliedmaßen regenerieren kann, war among the creatures on display at an American Museum of NaturalGeschichtsausstellung über Extremophile in den letzten Jahren

Extremes Leben, extremes Engineering

Die Effizienz der Ressourcennutzung ist mehr als eine umweltfreundliche Wahl für die Weltraumforschung: Es ist eine absolute Notwendigkeit. Beliebiges Material das nicht recycelt oder wiederverwendet werden kann, ist eine Verschwendung von Platz und Masse; Verschwendete Ressourcen oder gefährliche Endprodukte könnten gefährlich sein oder tödlich für Astronauten. Mögliche Mars-Missionen mit Besatzung sind auf vielen aus diesem Grund die Meinung von Biomimikern.

Sogar eine kurze Marsreise wird in Monaten gemessen. TheJe länger der Aufenthalt, desto schwieriger die Probleme, dort zu leben werden.

Um über diese Probleme nachzudenken, suchen Biomimik-Forscher nach “Extremophile”, Organismen, die unter härtesten Bedingungen weiter leben Erde (zumindest nach menschlichen Maßstäben). Mars ist ein gleichzeitig kalte, trockene, chemisch feindliche und strahlungsintensive Umgebung. Als ein Infolgedessen schauen sich viele weltraumorientierte Biomimik-Forscher an, wie Wüstenpflanzen extrahieren und reinigen Wasser für ihre Verwendung, wie Pilze gedeihen in strahlungsintensiven Umgebungen, wie Proteine ​​Insekten befähigen große Strukturen wie Flügel in kleinen Puppen während falten Metamorphose und vieles mehr. In den Worten von Terry Pratchett, „Das Leben lebt überall dort, wo es das Leben kann. Wo das Leben nicht kann, braucht es ein bisschen länger.”

Claudia Rivera von der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko sprach auf der Konferenz über das “Genie des Ortes” oder wie Organismen passen sich den spezifischen Bedingungen an einem Standort an. HerBeispiel war die Atacama Wüste von Chile, die eine reiche und kompliziertes Ökosystem, obwohl es sich in sehr großer Höhe befindet trockenste Wüste außerhalb der Antarktis. (Die Atacama darf nicht haben Erhielt zwischen 1570 und 1971 messbare Niederschläge. auch heute noch, Der akkumulierte Niederschlag wird in Millimetern gemessen.) Wissenschaftler Schätzungen zufolge war die Wüste 3 Millionen Jahre oder länger trocken. Das heißt, das Leben hatte viel Zeit, sich an seine Bedingungen anzupassen.

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Chilenische extremophile Bakterien gedeihen unter marsähnlichen Bedingungen

Rivera zitierte Llareta, eine Atacama-Pflanze, die extreme Belastungen verträgt Mangel an Feuchtigkeit, starker Wind (heiß und kalt) und intensiv Sonnenschein. Von außen sieht Llareta wie ein moosiger Felsbrocken aus oder eine flache Matte aus Moos; Innen ist es ein dichtes Gewirr von Zweigen. Diese Struktur minimiert den Luftwiderstand, bindet aber auch Feuchtigkeit und begrenzt die Verdunstung. Llareta stellt auch Harze her, um dem zu helfen Pflanzen widerstehen Einfrieren.

Da die Böden der Atacama reich an Salz und Laugen sind Chemikalien ist das zur Verfügung stehende Wasser für viele Organismen giftig (einschließlich Menschen). Darüber hinaus ist das Wasser oft in der Form einer relativ kleinen Anzahl von Molekülen, die am Boden haften Partikel, anstatt die gesättigten Böden feuchter Orte. Wüstenpflanzen extrahieren Salze aus dem Boden und scheiden sie auf ihrem Boden aus Blätter, oder sie filtern Chemikalien aus, die ansonsten giftig wären zu ihnen.

Doch die Pflanzen extrahieren immer noch genug, um davon zu leben. Um es auszudrücken Ein anderer Weg: Wenn Wasser knapp ist, können sich Organismen das nicht leisten metaphorisch, um die Nase nach Dingen zu drehen, die schwer zu bekommen sind oder schmeckt schlecht.

Wie eine Reihe von Robotersonden gezeigt hat, tritt unterirdisches Wasser auf Mars ist reichlich, besonders in hohen Breiten. Es ist jedoch so im allgemeinen gefroren und gemischt mit Perchloratsalzen, Sulfaten und andere Chemikalien, die für menschliche Entdecker unangenehm sind – genau wie das Wasser in der Die Atacama-Wüste ist giftig und schwer zu beschaffen.

Egal, ob Sie es trinken, für den Anbau von Nahrungsmitteln verwenden oder es verarbeiten in eine Komponente des Kraftstoffs um zur Erde zurückzukehren möglichkeit, da genug extra treibstoff transportiert wird um nach hause zu kommen Es ist offensichtlich, dass Menschen Martian verwenden müssen Wasser, egal wie giftig es ist.

Andere extreme Organismen könnten ebenfalls helfen, den Weg zu weisen. Viele Bakterienarten haben Membranen, die Wasser erlauben, aber abweisen giftige Chemikalien. Pflanzen wie der Heilige Lotus haben wasserundurchlässige Blätter, von denen sie Wasser abtrennen können Schmutz allein durch die Schwerkraft. Wie Andrew Trunek von der NASA in seinem sagte Konferenzgespräch, alles, was Astronauten auf dem Mars tun müssen, um zu bekommen Wasser haben sich Organismen dazu entwickelt, auf die Nutzung einer Atomkraft zu verzichten Pflanze. Wenn wir lernen, dasselbe zu tun, werden die Menschen viel haben einfachere Zeit auf dem Roten Planeten.

Selbstorganisierende Raumstationen

Ekblaw vom MIT identifiziert zwei Hauptansätze für die Biomimikry Forschung: problemorientiert, was oft die Ingenieure anzieht, und Neugier getrieben, was für die reinen Wissenschaftler ein Anziehungspunkt ist.

“Ich bin in erster Linie problemorientiert, da ich ein Luft- und Raumfahrtunternehmen bin Strukturforscher suchen eine skalierbare, energiesparende, effiziente Art und Weise, Architektur in Schwerelosigkeitsumgebungen zusammenzubauen “, sagte sie sagt. „Das aktuelle Modell der Internationalen Raumstation ist sehr kompliziert, sehr energieintensiv und sehr riskant in Bezug auf menschliches Leben zu montieren. Wie können wir in der Natur nach einem Muster von suchen? Selbstmontage – eine elegante, einfachere und effizientere Möglichkeit, Teile zu transportieren zusammen?”

Ekblaw stellt sich ein Raumstationsmodul vor, das sich wie ein dreidimensionales Puzzle. Die Montageanleitungen sind alle als Teil der Puzzleteile codiert, anstatt Roboter zu erfordern oder menschliches Eingreifen, um das Modul zusammenzustellen. Organismen machen das Selbstorganisationstrick auf mehreren Ebenen: Proteine ​​bilden Netzwerke; Koloniale Amöben gruppieren sich zu einem schneckenartigen Aggregat, das kriecht; Ameisen schlagen gemeinsam eine Brücke über Lücken. Die Versammlung braucht keine Intelligenz – nur einfache chemische oder elektrische Kommunikation zwischen seinen Komponenten.

Engineering Self-Assembly, in der die Abmessungen gemessen werden in Zentimetern oder Metern ist anspruchsvoller. Das liegt daran, dass Möglicherweise gibt es viel mehr mögliche Konfigurationen für die Teile komm zusammen (Wie Ekblaw betont, ist dies am wünschenswertesten Konfiguration aus energetischer Sicht sind die Teile, in denen sie liegen Gegenüberliegende Ecken, Sie haben ein Problem.)

„Wie können Sie Elemente dieser endgültigen Logik in jedes Element einbetten? einzelne Einheit, damit sie auf effiziente Weise zusammenkommen? “ Ekblaw sagt. “Die Art und Weise, wie ich das in meinem System mache, ist durch Magnete, die Geometrie der Abschrägung, [und] ein paar andere Vorschläge. “ Letzteres beinhaltet das „Vorspannen“ oder die Verwendung eines Luftgebläses oder eines anderen Mechanismus, um die Stücke zueinander zu führen.

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