Биомимикрия: почему подражание природе может уберечь нас от экологической катастрофы

Мимикрией называется выработавшееся в ходе эволюции сходство между двумя биологическими видами. Иногда оно полезно одному из них, иногда — взаимовыгодно. Биомимикрия же — это когда технологии, архитектура или дизайн подражают формам, конструкциям и процессам, существующим в природе. Роботов, например, делают по образу и подобию то тараканов, то осьминогов, то гепардов. Автор телеграм-канала «Работник культуры» Степан Ботарёв рассказывает о том, как клюв зимородка вдохновил японских инженеров на изменение дизайна высокоскоростных поездов, и о том, может ли изучение коммуникации между муравьями помочь в лечении рака.

Тайна запустелого пруда

Когда популяризатор биологии Джанин Бениус покупала дом в Стивенсвилле, на самом северо-западе США, ее заверили, что пруд во дворе станет пристанищем для самых разных птиц — от голубокрылых чирков до канадских казарок. Однако прошло совсем немного времени, и вода в пруду помутнела, а его поверхность покрылась ряской. Казалось бы, эти водоросли, которые по-английски называют «утиными» (duckweed), должны были привлечь уток и других птиц. Но выяснилось, что когда ряски в водоеме слишком много, пернатые облетают его стороной. На протяжении двух лет птицы прилетали к пруду, высматривая места для гнездования, но, оглядевшись, улетали.

Чтобы спасти водоем от запустения, Джанин Бениус стала регулярно вычерпывать ряску. Всякий раз после этого, впрочем, водоросли разрастались больше прежнего. Специалисты советовали женщине использовать химикаты, но, поскольку в пруду водились черепахи, Бениус сразу же отмела их предложение. Когда она спросила у экспертов о более естественных способах очистить пруд, те лишь пожали плечами.

В какой-то момент Бениус сдалась и, усевшись на берегу, погрузилась в фантазии. Она представила себе, каким она хотела бы видеть свой водоем: чистым, со здоровым равновесием между водорослями и водой, с птицами разных видов, спорящими за место под солнцем. Вдруг Бениус осознала: этот пруд из фантазий вовсе не выдумка, а на самом деле существующее место. Надев резиновые сапоги, женщина села на велосипед и поехала к пруду в заповедному лесу неподалеку, мимо которого она однажды уже проезжала.

Весь день она наблюдала за этим чистым водоемом, лишь окаймленным водорослями и пышной растительностью. Бениус пыталась разгадать его загадку. Она погрузила руку в воду и заметила, что она гораздо холоднее, чем в пруду у нее во дворе.

Когда по поверхности воды проплыл тополиный листок, ее осенило: в пруду есть течение!

В ее собственном водоеме течение возникало лишь во время весенних паводков, когда таял снег и с окрестных полей прибывали грязные воды. Бениус догадалась, что, судя по всему, ее пруд был родниковым и где-то на дне имел источник холодной, свежей воды. Он, однако, оказался погребен под слоями принесенной с полей почвы, которая в течение многих лет подвергалась эрозии из-за того, что на ней пасли скот. Пруд заилился, нагрелся и стал пригоден лишь для ряски, но не для уток.

Вернувшись домой, Бениус взяла лопату, забралась в пруд и стала прощупывать дно, чтобы отыскать самую холодную точку. Когда женщина нашла ее, она начала копать. Вдруг со дна стала подниматься холодная вода. Муть рассеялась, а ряску прибило к берегам. Совсем скоро в пруду поселилось аж два семейства гусей.

Все наши технологии уже изобретены природой

То, что Джанин Бениус проделала со своим прудом, — пример биомимикрии, что можно перевести как «подражание жизни». Будучи одной из главных специалисток современности в этой области и создательницей Института биомимикрии, в своей книге 1997 года «Биомимикрия. Новшества, вдохновленные природой» Бениус дает такое определение этому феномену:

«Биомимикрия — это новая наука, которая изучает модели природы и имитирует их или вдохновляется ее конструкциями и процессами для решения человеческих проблем».

Дизайнеры, разработчики роботов, архитекторы и другие специалисты, нуждаясь в идеях для своих изобретений, всё чаще подглядывают за природой. И неспроста, ведь другие организмы уже миллионы лет назад изобрели технологии, в которых нуждаемся мы сегодня. При этом они обходятся без горючего топлива, не загрязняют планету и не ставят под угрозу существование своих потомков и других видов.

Кроме того, они справляются с технологическими задачами гораздо элегантнее нас. Стрекозы, например, обходят в маневренности наши лучшие вертолеты. Муравьи без всяких приспособлений сообща переносят на большие расстояния сотни килограммов пищи и строительных материалов. Радары летучих мышей превосходят лучшие из наших радаров. Эту череду сравнений можно продолжить.

«Наши самые хитроумные стойки и балки были предвосхищены листьями водяных лилий и стеблями бамбука, — пишет в своей книге Бениус. — Наше центральное отопление и кондиционирование воздуха не сравнится с башнями термитов, где постоянно держится температура в 30 ˚С. <…> А наши новейшие „умные материалы“ не выдерживают сравнения с кожей дельфина или хоботом бабочки».

«Природа, которую нужда заставляет быть сообразительной, уже давно решила проблемы, над которыми мы ломаем голову. Наша задача — взять эти проверенные временем идеи и применить их к нашей собственной жизни», — заключает Бениус.

Почему за биомимикрией — будущее

По образованию Бениус — специалистка по лесному хозяйству. Она вспоминает, что во время учебы ей вовсе не рассказывали про тесные взаимосвязи между живыми существами. Каждую часть леса преподаватели-редукционисты описывали отдельно, а ценность информации определяли только ее полезностью для человеческой жизни. Лишь когда Бениус стала самостоятельно изучать взаимоотношения живых организмов в природе, она осознала, насколько животные неотделимы от среды, в которой обитают.

Мы же до недавнего времени воспринимали природу как нечто, отдельное от нас и существующее исключительно для наших нужд, считает ученая. Мы привыкли доминировать над природой, окультуривать ее, «улучшать». Но, по мнению Бениус, для нашей культуры настало время «вернуться в леса»:

«Когда мы смотрим на природу как на наставника, наши отношения с живым миром меняются. Благодарность усмиряет жадность, и, как говорит специалист по биологии растений Уэс Джексон, „сама концепция ресурсов становится неприличной“».

Биомимикрия основана не на том, что мы можем забрать у природы, а на том, чему мы можем у нее научиться.

Одна из особенностей естественных технологий, существующих в природе, — в том, что живые организмы оптимизируют использование ресурсов. Птицам, например, нужен минимум элементов, чтобы без всякого клея и цемента придать прочность своим гнездам. Биомимикрия же — это наш шанс минимизировать объем материалов, которые мы сами применяем в производстве.

А за этим последует и сокращение отходов. Ведь, научившись создавать прочные материалы, подражая минимализму природы, мы сможем сократить производство пластика и других искусственных полимеров.

Кроме того, биомимикрия поможет более экономно использовать энергию. В качестве примера можно привести продукты компании REGEN Energy, которую Джанин Бениус упомянула в 2009 году в своей лекции о биомимикрии на TED. Эта компания, сегодня переименованная в Encycle, подсмотрев за коммуникацией муравьев и пчел, создала роевую технологию (англ. swarm technology), позволяющую координировать бытовые приборы в доме. С помощью беспроводных контроллеров устройства вступают во взаимодействие между собой и саморегулируются так, чтобы одни отключались, когда работают другие.

В этот исторический момент, «когда мы наблюдаем реальную возможность исчезновения четверти всех видов в ближайшие тридцать лет», биомимикрия становится не только новой оптикой, но и настоящим спасением для всех нас, подытоживает Бениус.

Три формы биомимикрии

Биомимикрия, по классификации Джанин Бениус, бывает трех видов. Случай, когда ученая подсмотрела за прудом в дикой природе и воспроизвела его характеристики в собственном водоеме, — пример подражания целой экосистеме. Но это только один из вариантов биомимикрии — самый сложный и редкий. Чаще встречается подражание природным формам и процессам.

Вспомните, например, об обувных «липучках». Принцип работы такой контактной ленты позаимствован у репейника. Микрокрючки на «липучке» скопированы с таких же приспособлений на репьях. А совсем недавно ученый из Имперского колледжа Лондона изобрел мягкую хирургическую иглу, имитирующую жало осы. И то, и другое — биомимикрия формы.

А вот идея о том, что самоуправляемые машины будущего смогут общаться друг с другом для координированного передвижения по городу, напоминает то, как коммуницируют муравьи, которые, как известно, не подчиняются единому центру принятия решений. Это биомимикрия процессов.

Разберем каждый из видов биомимикрии подробнее.

Поезд с клювом зимородка: биомимикрия как подражание форме

Шел 1989 год. Япония работала над всё более быстрыми поездами для сети железных дорог «Синкансэн». Один из поездов развивал скорость до 273 км/ч. И всё бы хорошо, но всякий раз, когда этот поезд заходил в тоннель, возникала мощная звуковая волна, которая покидала тоннель с оглушительным хлопком, напоминающим звук выстрела. Этот шум, который можно было услышать за 400 м от тоннеля, тревожил не только пассажиров, но и местных жителей, и обитающих в округе животных. К тому же компрессированный воздух, возникавший при входе поезда в тоннель, замедлял его движение.

Для решения проблемы собрали инженерную команду. Поначалу ничего придумать не удавалось. Но однажды один из инженеров, Эйдзи Накацу, прочитал в газете анонс лекции, посвященной тому, сколь многие идеи конструкторы самолетов позаимствовали у птиц. Прослушав лекцию и вдохновившись ей, Накацу предложил коллегам применить знания из орнитологии и к конструкции поездов. На эксперименты ушло несколько лет.

Разные части переработанного поезда были вдохновлены разными птицами. Из лекции, среди прочего, Накацу узнал, что совы, в отличие от большинства птиц, летают, не создавая никакого шума. Это происходит из-за особых зазубрин на их перьях, которые разбивают звуковые волны. Такие же зазубрины инженеры в итоге нанесли и на токосъемник подъезда. Это позволило снизить шумность подъезда при движении.

Однако шум, который возникал при вхождении в тоннель, никуда не ушел. Накацу, впрочем, уже был настроен на правильный лад и за решением этой проблемы тоже обратился к орнитологии. Инженер задумался: есть ли в природе живые существа, которые ежедневно сталкиваются с резкими перепадами аэродинамического сопротивления?

«Да, есть — это зимородок, — осенило Накацу. — Чтобы поймать добычу, зимородок ныряет из воздушной среды с низким сопротивлением в воду с высоким сопротивлением, причем делает это без плеска».

Но как зимородку это удается? Всё благодаря уникальной форме клюва: сложенный из двух одинаковых треугольников с закругленными сторонами, он узок и продолговат, а его диаметр увеличивается от кончика к основанию. Когда зимородок окунается в воду, она не сталкивается с его клювом, а обволакивает его. А это как раз то, чего недоставало поезду, над дизайном которого работал Накацу и его коллеги.

Когда в 1997 году инженеры протестировали новую модель поезда, она оказалась на 10% быстрее, использовала на 15% меньше электроэнергии, а шум, исходящий от поезда, не превышал 70 дБ.

Роботы-муравьи и раковые клетки: биомимикрия как подражание процессам

«Колония муравьев состоит из стерильных самок-рабочих — это муравьи, которых вы обычно видите вокруг, — и одной или нескольких репродуктивных самок, которые просто откладывают яйца. Они не дают никаких инструкций. Хотя их и называют королевами, они никому не приказывают, что делать. Так что в муравьиной колонии нет главного, и все подобные системы без центрального контроля регулируются очень простыми взаимодействиями, — рассказывает биолог Дебора Гордон в лекции для TED. — Муравьи взаимодействуют, используя запахи. Они воспринимают запахи с помощью своих антенн и общаются тоже благодаря им. Так что, когда один муравей касается этими антеннами другого, он может узнать, например, принадлежит ли другой к тому же муравейнику и какую задачу этот другой муравей выполняет».

Благодаря такому децентрализованному взаимодействию муравьи крайне удачно справляются с поиском еды на больших территориях. В частности, аргентинские муравьи, рассказывает Гордон, умеют эффективно находить баланс между тщательностью поиска и площадью исследуемой территории.

Когда много муравьев скапливается на небольшом пространстве, каждый ищет очень тщательно. Когда небольшое количество муравьев исследует большую территорию, они жертвуют тщательностью, но расширяют диаметр поиска.

Муравьиная коммуникация вдохновила робототехников.

«Стало ясно, что вместо того чтобы посылать одного, сложно устроенного и дорогого робота для исследования другой планеты или поисков в горящем здании, может быть более эффективно использовать группу более дешевых роботов, которые будут обмениваться минимумом информации, как это делают муравьи», — говорит Гордон.

На имитации взаимодействия таких насекомых, как муравьи, построена целая область робототехники, которая по-английски называется swarm robotics, то есть групповая, или «роевая», робототехника. Коммуникация между такими группами роботов осуществляется на основе роевого интеллекта.

Впрочем, этим польза от наблюдений за муравьями не ограничивается. Дебора Гордон верит, что изучение взаимодействия между муравьями может пригодиться и для лечения рака. Речь о тех видах раковых клеток, которые — как и муравьи, не управляемые из единого центра — благодаря метастазам распространяются из очага в другие ткани для получения ресурсов:

«Посмотрим на ситуацию с точки зрения метастатических раковых клеток, которые находятся в поиске необходимых ресурсов: если ресурсы сгруппированы, то, скорее всего, они начнут привлекать другие клетки. И если мы поймем, как происходит эта „вербовка“, мы, возможно, научимся ставить ловушки, ей препятствующие».

Прерия вместо фермы: биомимикрия как подражание экосистемам

«Десять тысяч лет назад мы впервые вспахали богатую, спело пахнущую почву. Мы сохранили семена, посадили их и торжествовали, когда они взошли и дали нам урожай. Мы отпраздновали свое освобождение от авантюры охоты и собирательства, а за этим последовали небывалые урожаи зерна и рождение наших бесчисленных потомков. Чем больше детей мы рожали, тем больше земли нам приходилось обрабатывать, чтобы прокормить наше потомство», — пишет Джанин Бениус в книге «Биомимикрия. Новшества, вдохновленные природой».

Хотя таким образом мы обеспечили себе долгосрочные запасы продовольствия, вместе с тем мы невольно ступили на скользкую дорожку, которую биолог Уэс Джексон называет «беговой дорожкой бдительности». Джанин Бениус объясняет суть его метафоры так: чем больше мы ухаживали за одомашненными растениями, тем больше они зависели от нас. Сегодня эту беговую дорожку уже как будто бы не остановить. Культивированные растения так далеки от своих потомков, что им просто не выжить без удобрений и пестицидов.

При этом удобрения и пестициды лишь скрывают настоящие проблемы. Удобрения, например, помогают нам прикрывать реальную угрозу — эрозию почв. А пестициды, объясняет Бениус, нужны нам, потому что генетическая хрупкость и неспособность защищаться от насекомых — неотъемлемое свойство монокультур, то есть растений, которые в изоляции от других видов растут на гигантских плантациях в сотни гектаров.

«Каждый день наша почва, наши урожаи и мы сами становимся всё более уязвимыми, — говорит Бениус. — Что я хочу понять, так это как долго еще мы будем замалчивать проблему?»

К счастью, некоторые активисты уже осознали эти угрозы и пытаются найти способы их преодоления. Один из таких способов — биомимикрия экосистем. Именно этим занимается основанная в 1976 году некоммерческая организация Институт земли (англ. The Land Institute). Сотрудники института, которому принадлежат 270 акров почвы, выращивают на этих землях многолетние злаковые, бобовые и масличные культуры.

Особенность местного хозяйства — в том, что ферма практически не отличима от дикой прерии.

Команде института не приходится ежегодно вспахивать землю, ведь культуры, которые они выращивают, многолетние. Фермеры не удаляют сорняки, не используют пестициды и гербициды, да и вообще минимально вмешиваются в жизнь этой рукотворной экосистемы.

«Передо мной — разнообразие форм: травы разной вышины и ширины, смелый размах подсолнуха, темные листочки бобовых, похожие на папоротник. <…> Бабочки и пчелы, опылители, любящие почесать языком, распространяют слухи от одного растения к другому», — описывает эту ферму побывавшая тут Джанин Бениус.

На этой земле, утопающей в цветах и травах и кишащей муравьями, сороконожками и клопами, каждое из 231 сожительствующих растений играет свою роль и сотрудничает с другими видами, заключает она.

«Вырви или посади что-то новое и уже изменишь здешнюю микроэкологию. Вспахай, опыли или собирай урожай каждый год, и ты изменишь ее полностью. Некоторые из организмов, которых не станет, могут оказаться теми, кто повышает плодородность почвы, или помогает противостоять атакам насекомых и болезней, или вырабатывает гормоны, которые заставляют цветок распуститься, а корень — еще глубже погрузить свои щупальца в землю. Нужны годы, чтобы сонастроить такой оркестр сотрудничающих организмов, но, чтобы заставить его замолчать, хватит мгновений», — добавляет Бениус.

«Цель Института земли — в том, что сформировать такое сообщество домашних растений, которое будет неотличимо от прерии, но при этом будет предсказуемо с точки зрения урожайности, чтобы служить сельскохозяйственным целям», — говорит один из сотрудников института, эколог Джон Пайпер.

«Мы должны вести хозяйство так, как ведет его природа», — добавляет основатель института упоминавшийся уже биолог Уэс Джексон. Вместо того чтобы опекать одомашненные культуры, мы должны построить такую сельскохозяйственную систему, которая будет основана на природных преимуществах выращиваемых растений.

Почему и как нам нужно разговаривать с природой

Чтобы состоялся диалог между человеком и природой, нужно сначала усмирить свой ум, а затем прислушаться к тому, что говорит природа, и ответить ей эхом. Биомимикрия и есть это эхо. Именно это произошло, когда Бениус пыталась очистить свой пруд от мути и ряски. Сев на берег и отказавшись от попыток изобрести новый механизм или тактику для очистки пруда, она успокоила свой ум. Отправившись к пруду в заповедном лесу и потратив время на его изучение, Бениус прислушалась к тому, что говорила ей природа. Когда же она поняла, что ее пруд заилен и, раскопав залежи ила, воссоздала в водоеме холодное течение, присущее дикому пруду, она ответила природе эхом.

Однако на этом диалог между природой и человеком заканчиваться не должен, говорит Бениус. После того, как мы ответим эхом, в благодарность за помощь мы должны пообещать заботиться о природе. Поэтому, освободив пруд от ила и ряски, Бениус высадила в нем местные растения, которые поддерживали бы почву и препятствовали новому заиливанию с очередными паводками.

«Долгое время мы думали, что мы лучше природы, а сейчас некоторые из нас склонны думать, что мы хуже нее, а всё, к чему мы прикасаемся, превращается в сажу, — размышляет Бениус. — Но ни одна из этих точек зрения не верна. Мы должны вспомнить, каково это — быть наравне с другими живыми существами».

В одной горсти почвы живут от четырех до пяти тысяч бактерий. Для большинства из них мы не придумали даже названий, а на то, чтобы понять, как они устроены и почему важны для нашей жизни, уйдут десятилетия. Скромность от осознания ограниченности наших знаний о природе и сдержанность в привычках должны стать нашим новыми идеалами, считает Бениус.

Что действительно отличает нас от всех живых существ, так это способность обучаться, добавляет она. Благодаря нашему необычному мозгу мы можем присматриваться к природе и повторять за ней. Наш вид просто создан для того, чтобы быть эхом природы.

Бениус заключает:

«Старожилы штата Монтана научили меня: общаясь с новоприбывшими, важнее спросить не „Когда ты сюда приехал?“, а „Как долго ты планируешь остаться?“ Если мы планируем оставаться здесь навсегда, мы должны обратиться к жизни, существовавшей задолго до нас, за советами о том, как нам стать для нее более добрыми соседями».

Что еще почитать и посмотреть на эту тему: