Zalety kwadratowego ogona

W lipcowym (2.07) numerze czasopisma Science opublikowano wyniki długoletnich badań nad ogonem koników morskich. Ta szczególna grupa ryb, zwana też pławikonikami, odznacza się szeregiem niezwykłych specjalizacji, spośród których szczególnie interesujący okazał się być ich chwytny ogon. W warunkach naturalnych pławikoniki potrafią za jego pomocą przytrzymywać się podłoża – na przykład „gałęzi” koralowca – gdy grożą im intensywne prądy. Ogon koników morskich jest przy tym niezwykły, ponieważ w przekroju poprzecznym ma on kształt zbliżony do kwadratowego – w przeciwieństwie do większość występujących w przyrodzie ogonów o przekroju kolistym.

Naukowcy z amerykańskiego Clemson University w Karolinie Południowej badali zalety i wady takiej właśnie architektury ogona, konstruując przy pomocy drukarki 3D proste modele o różnych geometriach. Okazuje się, że jedną z najważniejszych zalet kwadratowego przekroju ogona jest wynikająca z niego znaczna wytrzymałość na uderzenia i skręcenia. W zgodzie z fundamentalnymi prawidłami biologii ewolucyjnej, o kształcie ogona u pławikoników zadecydowała więc jego funkcja i wynikające z niej „wymagania konstrukcyjne”.

Ogon ten musi znosić szarpanie wywoływane przez turbulentne strugi wody, przy czym ciało zwierzęcia powinno być utrzymywane w bezpiecznym położeniu. Ogon o przekroju kolistym ma bardzo wiele stopni swobody, co w praktyce oznacza, że stosunkowo łatwo jest go wygiąć pod niemal dowolnym kątem – o ile oczywiście nie zostanie on całkowicie usztywniony, w tym jednak wypadku zatraci swoją pierwotną funkcję rybiego ogona. Ogon o przekroju kwadratowym – zwłaszcza zbudowany z osobnych nachodzących na siebie płaskich płytek kostnych, jak jest to u pławikoników – wygina się tylko w ściśle określonych kierunkach i wykazuje dużą wytrzymałość przy skręcaniu go w innych płaszczyznach.

Trwające miliony lat procesy ewolucyjne stanowią więc swego rodzaju poligon inżynierski, na którym metodą (nielicznych udanych) prób i (wielu katastrofalnych) błędów realizowane są różnego typu „zamierzenia projektowe”. Część z nich udaje się, część nie. Dziś inżynierowie, konstruujący zupełnie nie-biologiczne urządzenia, chętnie inspirują się biologią (przypominamy artykuł Anny Bartosik „Natura ma inżynierię w genach” https://www.tygodnikpowszechny.pl/natura-ma-inzynierie-w-genach-28228). W tym przypadku zapowiadane są zastosowania zaskakujące przede wszystkim rozmaitością skali przestrzennych – od pancerzy kuloodpornych, przez kilkucentymetrowej długości wężokształtne roboty poruszające się z łatwością po skrajnie trudnym terenie, aż po kwadratowe w przekroju cewniki.

Jak to bywa z wszystkimi tego typu zapowiedziami, czas zweryfikuje te odważne i nasączone marketingowym sosem obietnice. Warto jednak zauważyć – dla równowagi – że w przeszłości potwierdziła się już prawidłowość najzupełniej nieintuicyjna z punktu widzenia biologicznego – a mianowicie dość skuteczne „skalowanie” projektów inspirowanych biologicznie. W przyrodzie wiele rozwiązań „inżynierii biologicznej” zawodzi przy zwiększaniu lub zmniejszaniu ich rozmiaru. Owady, na przykład, nie dorównują wielkością kręgowcom, ponieważ skrzydła owadziego nie da się nieograniczenie zwiększać. Kręgowca z kolei nie da się zminiaturyzować do skali najmniejszych owadów, ponieważ ma on znacznie bardziej złożoną anatomię, której elementów nie da się bez końca zmniejszać, nie gubiąc po drodze ich funkcji. Do pewnego stopnia „inżynieria ludzka” potrafi jednak przekroczyć ograniczenia biologii. Stąd na przykład dobrą wytrzymałość mechaniczną mają niektóre konstrukcje architektoniczne inspirowane układem atomów w nanometrowej wielkości związkach chemicznych (pionierem tego podejścia był Richard Buckminster Fuller) – następuje więc powiększenie oryginalnego „projektu” o miliardy razy. O inżynierii inspirowanej biologią warto więc pomyśleć nie jak o bezmyślnym naśladownictwie, a może raczej jako o swego typu współpracy.

Łukasz Lamża