La imitación es la forma más sincera de ecologismo – Número 90: Algo verde

UNs las lluvias regresan al noroeste del Pacífico, también lo hacen los hongos. Una fina neblina gotea de las copas de los árboles de hoja perenne, a través de los musgos y hacia una capa de tela aromática que alberga un ecosistema de micelio, descomponedores bacterianos y aireadores de insectos. Bajo el dosel de los bosques primarios, todo muere, se desarma a nivel molecular, pero al mismo tiempo, renace. Un árbol caído se convierte en un tronco nodriza, hogar de organismos que nutren la nueva vida del bosque. Es un paisaje de cataclismo y rebrote, donde la naturaleza hace alarde de su singular capacidad para recuperarse y revivir, año tras año.

El movimiento ambientalista que se cultivó aquí ha dado lugar a toda una generación de ingenieros, científicos y diseñadores que han comenzado a prestar más atención a las formas en que la naturaleza puede ser el maestro más sagaz. El micólogo Paul Stamets, por ejemplo, ha demostrado que un extracto de micelio puede descomponer los desechos del petróleo y hacer brotar hongos ostra en su lugar. Estos científicos visionarios son líderes en el movimiento de biomimetismo, en el que los científicos están aprovechando los procesos de la naturaleza para corregir nuestros errores ambientales. A continuación se presentan cinco ejemplos actuales de biomimetismo que siembran un futuro sostenible.

La imitación es la forma más sincera de ecologismo - Número 90: Algo verde
mariposas brillantes: Las mariposas Morpho, como la de la izquierda, obtienen su color vibrante de los pequeños filamentos en la superficie de sus alas. A la derecha hay un frasco que contiene “cápsulas fotónicas” verdes, que muestran colores sin tintes al reflejar longitudes de onda particulares de luz, e imágenes microscópicas de cápsulas fotónicas azules, verdes y rojas.Charles Patrick Ewing; Parque Jin-Gyu

Pigmentos coloidales

Hacer los tintes vibrantes que usamos para todo, desde pinturas para el hogar hasta telas y automóviles, es un proceso tóxico que consume mucha energía. La misma propiedad que crea los colores más satisfactorios y duraderos es exactamente el comportamiento resonante y de alta energía que los hace tan mortales. El verde ftalo, el amarillo cromo y el rojo cadmio son encantadores, pero tienen un precio pernicioso: todos están compuestos de metales pesados ​​venenosos para los seres humanos en diversos grados. Sin embargo, muchos miembros del mundo natural aparecen en una vertiginosa variedad de tonos, todo mientras evitan las trampas de los metales pesados. ¿Cómo lo hacen? ¿No podemos simplemente hacer lo que ellos hacen?

La mayoría de los pigmentos biológicos no se sintetizan desde cero; por lo general, se toman prestados de otra persona. El color rosado suave del salmón proviene de una dieta de camarones con caparazón de coral y krill. ¿El plumaje rojo brillante de los cardenales? De la dieta rica en carotenoides de las bayas del bosque más suculentas. El color emana de estas criaturas a nivel molecular y no es muy duradero. Su estabilidad requiere una renovación constante. En busca de una mayor permanencia, los científicos de materiales han estado buscando colores biológicos más arraigados en busca de inspiración.

Por alguna razón, muchas criaturas azules en la naturaleza tienen un enfoque estructural del color, en lugar del enfoque molecular descrito anteriormente. Tomemos, por ejemplo, el alas opalescentes de una mariposa morfo. Aunque parecen de un azul eléctrico, las alas mismas son incoloras en el sentido tradicional. No hay ninguna molécula vibrante de pigmento azul. En cambio, el color proviene de la organización de la superficie de la mariposa. Cada ala magnífica está cubierta por miles de millones de diminutos filamentos, cada uno de ellos una décima parte del ancho de un cabello humano. Estas estructuras incoloras captan la luz como el interior de un caleidoscopio, reflejándola y refractando hasta que vuelve ese índigo luminoso. Sin embargo, el color estructural de las alas morpho depende del ángulo; brilla y cambia a medida que la mariposa revolotea. Para algo más estable, los investigadores buscaron al noble pájaro azul.

“Los colores de casi todos los pájaros azules que ves en la naturaleza provienen de nanoporos en las plumas, y no de ningún pigmento”, dice Vinothan Manoharan, director de un grupo en Harvard que estudia cómo crear colores estructurales. Estos poros están esparcidos por la superficie de las plumas, “desordenados en la forma en que lo estarían, por ejemplo, si tomaras un montón de cojinetes de bolas y los arrojaras a un cubo sin hacer ningún arreglo”.

Esto significa que, utilizando sus métodos, es teóricamente posible producir cosméticos, carteles y tintas que estén completamente libres de pigmentos de metales pesados. El uso generalizado de esta técnica podría conducir a un mundo en el que el objeto y el color sean, literalmente, inseparables.

Estación de evaporación: Este video muestra prototipos del motor de evaporación de esporas bacterianas Sahin.ExtremeBio

Energía de evaporación

En la naturaleza, cualquier flujo espontáneo entre dos depósitos se puede aprovechar para producir energía. Coloque una rueda de agua en un río, un molino de viento en la cima de una colina desnuda, coloque algunos imanes, conecte un circuito y tendrá algo de electricidad. A medida que los humanos buscan formas de impulsar nuestra existencia sin rastrear tanto barro a través del templo inmaculado de la naturaleza, hay un enfoque que se ha pasado por alto en gran medida: la evaporación.

De alguna manera, tiene sentido; la evaporación es un proceso tan silencioso. Uno podría ser perdonado por apenas notarlo: una ráfaga de vapor de una taza de café en una fresca mañana de otoño, o niebla que se eleva desde el techo después de un repentino aguacero de verano, es más el dominio de los poetas que el resto de nosotros. Pero hace aproximadamente una década, Ozgur Sahin de la Universidad de Columbia estaba estudiando las propiedades mecánicas de las esporas bacterianas cuando recibió un disparo de un rayo de la nada.

Sus medidas lo asombraron: la fuerza que generaban las esporas cuando se desplazaban entre lo pequeño y lo sediento y lo masivo y lo húmedo era suficiente para actuar como un músculo poderoso que controla la humedad. Todavía recuerda el asombro que sintió cuando se dio cuenta de lo que estaba sucediendo. “Estos pequeños organismos que habitan en el suelo habían estado llevando este potencial todo este tiempo y habían pasado desapercibidos”, relata. La siguiente etapa fue crear alguna forma de demostrar la promesa sin explotar: máquinas que pudieran funcionar con agua pura.

“Se necesitaron varios años y la ayuda de estudiantes y colegas brillantes para hacer realidad esos motores”, explica Sahin, pero finalmente, su equipo creó un prototipo. Era una pequeña caja llena de músculos de esporas (delgadas tiras de plástico recubiertas en un lado con una mezcla de esporas) que se extendía a ambos lados de la interfaz aire-agua. Cuando comienza el ciclo, las persianas en la parte superior de la caja se cierran, lo que permite que el depósito que contiene el músculo se llene de vapor de agua. La humedad hace que los músculos se relajen, lo que abre las persianas. A medida que el agua se evapora de las esporas, los músculos se contraen, lo que restablece el ciclo.

A medida que los músculos pasan por húmedo, seco, húmedo, seco, su movimiento se convierte en un generador electromagnético, siempre que haya agua en el depósito. Un ex colega de Sahin, Xi Chen, es iterando sobre la naturaleza en un intento de producir una proteína artificial que sea incluso más sensible al agua que la cáscara de las esporas bacterianas originales.

Este método, si se amplía, podría ser extraordinariamente eficaz teniendo en cuenta que casi el 90 por ciento de la humedad atmosférica es el resultado de la evaporación de las interfaces aire-agua. El equipo cree que su tecnología puede igualar las alternativas existentes de energía verde, pero sin los problemas de intermitencia de la energía solar y eólica.

La imitación es la forma más sincera de ecologismo - Número 90: Algo verde
fuerte como una araña: La seda de araña es uno de los materiales más resistentes de la naturaleza. Los investigadores creen que una réplica sintética podría usarse para todo, desde prótesis hasta telas. Bettina Calder / Shutterstock

Seda de araña

La seda de araña “es posiblemente el material más resistente de la naturaleza y tiene otras propiedades como la biocompatibilidad y la conductividad electrotérmica”, explica Sean Blamires, investigador principal del Laboratorio de Investigación de Seda de Araña de la Universidad de Nueva Gales del Sur. El extraordinario material tiene una serie de propiedades que lo hacen adecuado para una variedad de aplicaciones. La química de su superficie lo hace ideal para su uso como recubrimiento biocompatible para implantes, uno que reduce el riesgo de rechazo mientras acelera la curación. Su fuerza suprema lo hace ideal para fibras musculares artificiales en prótesis de próxima generación, y su naturaleza biodegradable lo convierte en una excelente opción para empaque, por lo que finalmente podemos dejar de desperdiciar los materiales más duraderos del mundo para la tarea más temporal.

Además de las aplicaciones de la era espacial, existe una visión más prosaica de un futuro más suave, donde la biología fuerza, elasticidad y dureza hacen de la seda de araña una alternativa extremadamente atractiva a las fibras sintéticas como el rayón. Aunque el rayón técnicamente proviene de productos de madera reciclada, el proceso de fabricación de cantidades industriales es increíblemente sucio. Para extraer fibras utilizables de la pulpa de madera, los trabajadores tienen que aplicar una mezcla secuencial de químicos cáusticos y están expuestos en el camino al disulfuro de carbono, un subproducto volátil que puede causar de todo, desde priapismo hasta la muerte por insuficiencia respiratoria.

La seda de araña sintética resuelve todos estos problemas. Las bacterias modificadas producen spidroins, las proteínas componentes de la seda de araña. Estas proteínas luego se purifican, concentran y resuspenden en agua. Cuando la mezcla de proteínas se exprime a través de una jeringa cónica en una solución salina, da como resultado una fibra limpia que se puede hilar que se puede degradar al final de su vida útil por enzimas naturales. Esta sustentabilidad incomparable ha atraído la atención de diseñadores de alto perfil como Stella McCartney, quien se ha asociado con una compañía llamada Bolt Threads para producir algunos de los primeros sombreros de punto y vestidos de tenis del mundo hechos de seda de araña diseñada.

Sin embargo, Blamires está menos interesado en el vestido de tenis más nuevo que en comprender por qué la seda de araña es tan rígida, elástica y resistente. Su grupo está trabajando en un estudio de la producción de seda en diferentes arañas, en una variedad de ecosistemas. Esperan que esto les ayude a comprender mejor la evolución de las codiciadas propiedades de la seda. “Creemos que es muy importante conocer los procesos de producción de la seda natural y su variabilidad en los mismos. Debemos fijarnos en lo que hace la naturaleza y tratar de imitarlo ”, concluye. Lo cual está bien, siempre y cuando recuerde asegurarse de que la gran habitación, llena de grandes arañas, esté cerrada con llave antes de irse a casa a pasar la noche.

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suéteres para rascacielos: Estas ventanas inteligentes utilizan técnicas que se encuentran en las estructuras cromáticas de la piel de los cefalópodos para ajustar la cantidad de luz solar que llega a los edificios.Cortesía de Shu Yang

eSkins

Es bien sabido que los centros urbanos son “islas de calor”, lugares donde las temperaturas son varios grados más altas que en el campo circundante, un efecto secundario de las formas en que hemos estado construyendo ciudades durante los últimos siglos. Las carreteras son superficies oscuras y planas que absorben una cantidad excesiva de calor. Los edificios, especialmente los rascacielos, tienen sus propios picos de calor: todas esas torres de enfriamiento centralizadas e innumerables unidades de aire acondicionado de ventana simplemente descargan el aire caliente en el pavimento ya sofocante.

Para Shu Yang, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Pensilvania y director del Centro para el análisis de estructuras evolucionadas como productos optimizados, la respuesta a este problema de calor urbano es diseño biomimético a escala de ciudad. El trabajo de Yang se centra en el concepto fundamental de homeostasis, informado por sus colaboraciones con biólogos. Ella señala que su equipo “ve una funcionalidad única y luego busca en la biología” instrucciones sobre cómo abordar el problema. En su mundo, la comprensión de la naturaleza comienza en la escala de la miniatura y se transmuta en lo monumental.

Tomemos, por ejemplo, el problema de los edificios de oficinas. La mayoría de las oficinas antiguas gastan casi el 40 por ciento de su presupuesto eléctrico en calefacción y refrigeración. Por lo general, es un proceso centralizado que es insensible a los cambios mínimos en el entorno. Una oficina en la esquina con luz solar directa es sofocante, mientras que la sala de conferencias debajo de los aleros del edificio siempre requiere un suéter. A Yang le interesa la idea de que si los edificios pudieran parecerse más a los animales, si tuvieran una forma de detectar su entorno, tal vez podrían cambiar su comportamiento para ser más habitables.

Para lograrlo, el equipo de Yang combina lo biológico con lo estructural. Intrigado por las estructuras cromáticas de la piel de los cefalópodos, pequeños sacos de pigmentos que permiten que las criaturas pasen de transparentes a opacas a la menor señal de peligro, su equipo desarrolló un material con propiedades similares que podría usarse para ajustar con precisión las condiciones de construcción. Se puede agregar a edificios existentes como una segunda piel que es completamente transparente cuando se relaja, pero se vuelve opaca cuando se estira.

En el futuro, imagina fusionando este nuevo material con el diseño de kirigami, donde la tensión aplicada puede crear formas complejas y tridimensionales. Esto podría producir revestimientos de edificios donde “un lado es reflectante, pero normalmente no se ve el reflejo. Cuando empieza a hacer calor, podemos inclinar los paneles para reflejar la luz “. Ella imagina que estas pieles podrían ser completamente autónomas si se fusionaran con materiales que respondan a los cambios de humedad. ¿Quizás esos músculos de esporas mencionados anteriormente?

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brillan en la oscuridad: Los investigadores están aprendiendo a utilizar la luz bioluminiscente producida por animales marinos, como este calamar y medusa, para iluminar ciudades. Wikimedia; Chris Favero

Ciudades bioluminiscentes

Por último, pero no menos importante, el diseño bioinspirado puede ser la forma más encantadora de abordar la contaminación lumínica generalizada.

Hace poco más de 100 años, los habitantes de incluso las ciudades más grandes habrían podido mirar el cielo nocturno y tener una idea de su contexto cósmico, pero con el aumento de la iluminación y el brillo de la última generación de bombillas LED, muchos Estamos preocupados de que podamos encaminarnos hacia un futuro donde el cielo nocturno es poco más que un recuerdo lejano.

El futuro, sin embargo, podría ser un poco más verde, azul verdoso, para ser específico. Inspirada en la luz bioluminiscente producida por animales marinos, la directora ejecutiva de Glowee, Sandra Rey, ha diseñado un sistema de iluminación que está literalmente vivo.

Como Rey dijo recientemente Bloomberg, “En el mar algo que es muy común no es extraordinario, por lo que hay que entender que si es común significa que es eficiente. Detrás de nosotros tenemos 3.800 millones de años de investigación y desarrollo ”.

En el laboratorio, su equipo busca bacterias con la bioluminiscencia más potente, duradera y estable. Cultivan estas criaturas en cantidades masivas, en condiciones de hacinamiento, lo que hace que las bacterias activen las vías de liberación de luz. En condiciones estándar, la sopa bacteriana es de un color dorado, similar a un parche de camino de ladrillos amarillos. Pero cuando las luces se apagan y el oxígeno burbujea a través del medio de color mostaza inmóvil, sucede algo mágico. El líquido se arremolina, brilla y, de repente, adquiere un brillo fosforescente. El resultado es una luz azul estable y pacífica que le da a su entorno la sensación de deambular por un bosque encantado.

En el futuro, Rey imagina las lámparas vivientes de Glowee como la opción predeterminada. La compañía planea comenzar con el mobiliario urbano y la señalización, pero con el tiempo, espera repensar toda la forma en que vemos nuestras ciudades por la noche. Con este logro, los humanos pueden verse literalmente a sí mismos bajo una nueva luz.

Michael Shilo DeLay y Anastasia Bendebury son biólogos y cocreadores del blog de ciencia, Desmitificando la ciencia. Síguelos en Twitter @Demystifysci.

Imagen principal: Ondrej Prosicky / Shutterstock

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