الهندسة الحيوية - المتدرب نحشون حاييم / مقابلة أجراها غاريث كوك

تحفر الكيميائيّة جوانا أيزنبرغ أعماق البحار ومستنقعات الغابات وتستخرج منها أسرار تخطيط الطبيعة، وهي المعرفة التي تستخدمها لتجميع مواد جديدة قد تغير عالمنا.

من أول الأشياء التي تلفت انتباهك عندما تدخل مكتب البروفيسور جوانا أيزنبرغ في جامعة هارفارد هي الألعاب. خلف مكتبها توجد قوقعة قنفذ البحر، وفراشة زرقاء مؤطرة، وحامل بلاستيكي تخرج منه ألياف طويلة مصبوغة بألوان متعددة بضغطة زر، وصفوف وصفوف، غير مرتبة بشكل خاص، من الألعاب. العديد منها على وجه الخصوص هي المكعبات المجرية - الحجم الكلاسيكي ثلاثة في ثلاثة في ثلاثة، ولكن أيضًا تلك التي تحتوي على أربعة وخمسة وستة وحتى سبعة مكعبات صغيرة على كل جانب. الجنة لأطفال ثماني سنوات.

 

إن اللعب بالألغاز الرياضية هو المهنة الرئيسية، بشكل أو بآخر، لأيزنبرغ البالغ من العمر 52 عامًا. لكن جديتها لا جدال فيها. ولد أيزنبرغ في جنوب غرب أوكرانيا، وحصل على شهادة في الكيمياء من جامعة موسكو، وفي عام 1991 نجا من التمييز الجنسي ومعاداة السامية التي سادت الأكاديمية الروسية بشكل علني وبدأ مهنة مشرقة في الغرب في مجال الهندسة الحيوية. تكشف أسرار التخطيط للطبيعة الأم وتستخدمها في عملها. يعمل أيزنبرغ في منصب مشترك في العديد من مؤسسات جامعة هارفارد: كلية الهندسة والعلوم التطبيقية، ومعهد رادكليف للأبحاث المتقدمة ومعهد فايس - وهو مركز أبحاث جديد للهندسة مستوحى من الطبيعة حيث تم استثمار 125 مليون دولار فيه.

تقترب آيزنبرغ من بحثها بأسلوب مرح. إنها تعبر الحدود المألوفة بين التخصصات العلمية التقليدية بحماس طفل لا يعرف الخوف. اشتهرت بشكل أساسي بتعاونها مع علماء الأحياء الذين اكتشفوا مبادئ هندسية غير عادية تستخدمها الكائنات في أعماق البحر. لكنها تعمل أيضًا (أو تلعب) مع الكيميائيين والمهندسين المعماريين والفيزيائيين ومصممي الألعاب.

فيما يلي مقتطفات مختارة من حديثنا معك.

ساينتفيك أمريكان: لماذا تبحث عن الإلهام في الطبيعة؟

أيزنبرغ: أرى في كل نظام بيولوجي مثالًا جديدًا ومذهلًا للتخطيط المتطور. لقد طورت الطبيعة العديد من الاستراتيجيات المثيرة للاهتمام. لقد خلقت الطبيعة جميع أنواع المواد والمرافق عالية الجودة التي لا يعلم العلماء بوجودها.

انظر على سبيل المثال قنفذ البحر، وهو قريب من نجم البحر وقنفذ البحر. لديه درع صلب، وكان يُعتقد دائمًا أنه أعمى. لكننا اكتشفنا أن جزءًا من درعه مرصع بالعدسات - يمكنه الرؤية من خلال درعه. أثناء النهار يخفت الضوء الذي يصل إلى العدسات باستخدام صبغة داكنة، ولكن في الليل يمتص اللون في جسمه. يمكنك القول أن نحشون هيام يرتدي نظارات شمسية، وعدساتها أفضل من العدسات التي نعرف كيف نصنعها. هذا مثال على مبدأ مهم: في العالم الحي غالبا ما يحدث أن يتم استخدام مادة معينة على النحو الأمثل لعدة أغراض مختلفة. يتميز الدرع بخصائص ميكانيكية ممتازة، فهو عبارة عن هيكل عظمي، ولكنه مصمم أيضًا للعمل البصري. ومن وجهة نظر هندسية، فإن هذين الدورين متباعدان بقدر تباعد الشرق عن الغرب، وهنا يجمع هذا المخلوق الاثنين في هيكل واحد.

ولذلك فإننا ندرس أنظمة بيولوجية مثيرة للاهتمام، ولكن من وجهة نظر العلوم الفيزيائية. سيمهد هذا النهج الطريق لتطوير مواد وأجهزة جديدة يمكنها تغيير العالم.

 

أخبرني عن عملك مع إسفنجة المياه العميقة.

إنه مخلوق مذهل بكل الطرق. إنه يعيش في قاع المحيط وينمو لنفسه هيكلًا عظميًا من الزجاج. عندما يصنع البشر الزجاج، فإنهم يفعلون ذلك عند درجة حرارة 2,000 درجة مئوية، لكن هذه المخلوقات بطريقة ما تصنع الألياف الزجاجية في درجة حرارة الغرفة.

يوجد أيضًا في قاعدة الإسفنجة، حيث تلتصق بالأسفل، تاج من الخيوط الرفيعة التي تتصرف مثل الألياف الضوئية المثالية تقريبًا التي تنقل الضوء من أحد طرفي الألياف إلى الطرف الآخر. يعتقد البشر أنهم اخترعوا الألياف الضوئية منذ حوالي 60 عامًا، ولكن مرت نصف مليار سنة حتى أنتجت الطبيعة الألياف الضوئية من المادة التي نصنعها منها.

لكن لماذا تحتاج الإسفنجة إلى مثل هذا النظام البصري المعقد؟ يعيش في الظلام. اتضح أنه يعيش في تكافل. تعيش البكتيريا المتوهجة فوق الإسفنجة، وينتقل الضوء المنبعث منها عبر الألياف. يعد التاج المصنوع من الألياف اللامعة بمثابة منارة تجذب المزيد من الحيوانات من ألتا. علاوة على ذلك، يعيش زوج من القواقع داخل الإسفنجة. إنه محمي في هذا المنزل الزجاجي المضاء ويتغذى على جميع المخلوقات التي تنجذب إلى الضوء. تعتبر إفرازات الجمبري جزءًا من غذاء الإسفنج. إنه نظام كامل.

كيف اكتشفت الاسفنج؟

حضرت مؤتمرًا علميًا في سان فرانسيسكو وذهبت إلى متجر للأحجار الكريمة. أنا مدمن على مثل هذه المتاجر. وكان هناك مثل هذه الإسفنجة. كان يرقد في زاوية مظلمة للغاية، وكان تاجه المصنوع من الألياف متوهجًا بالكامل. كان المنظر جميلا جدا. مضيت قدمًا في ذلك وفعلت ما أحب فعله حقًا: لقد تعاونت مع علماء الأحياء البحرية.

ما رأيك أن نتعلم من هذا المخلوق؟

يمكن لإسفنجة المياه العميقة أن تعلم كيفية تقوية المواد الضعيفة والحساسة بطبيعتها. الزجاج هش، لكن هذه الإسفنجة ليست هشة على الإطلاق. يمكنك أن تخطو عليها ولن يحدث شيء لها.

وتحقق الطبيعة هذه النتيجة من خلال الجمع بين عدة استراتيجيات هيكلية فوق بعضها البعض. يقوم بتجميع الألياف في مادة متعددة الطبقات. تقوم الألياف ببناء أوتاد متصلة ببعضها البعض وتشكل مربعات ملفوفة في أسمنت الألياف الزجاجية. زجاج داخل زجاج داخل زجاج. لكن الإسفنج يجمع كل هياكل الزجاج معًا ويتم إنشاء مادة قوية جدًا تتغلب على الهشاشة الطبيعية للزجاج.

ومن الممكن أيضًا تصور الإسفنج كمبنى "أخضر" به نموذج للنوافذ المفتوحة على جدرانه الخارجية. يجعلني أتساءل، على سبيل المثال، إذا كان من الممكن بناء ناطحة سحاب حيث يكون كل طابق عاشر مفتوحًا ويسمح بالاستفادة من طاقة الرياح.

من وجهة نظر المهندسين ما هي فوائد مراقبة الطبيعة وما هي المخاطر التي قد تكمن في ذلك؟

يمكن للطبيعة أن تقدم للمهندسين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الحلول للمشاكل التقنية المعقدة. ليست كل الحلول عملية. قد يتبين، على سبيل المثال، أن هذا النهج أو ذاك المستوحى من الطبيعة مكلف للغاية من حيث المواد والطاقة، مما يجعل من المستحيل استخدامه. ومع ذلك، فمن الممكن إيجاد حلول طبيعية لا تقل عن الحلول الهندسية الموجودة اليوم، أو تقصر عنها قليلاً، لكن تنفيذها أرخص بكثير. بمعنى آخر، توفر الطبيعة مجموعة واسعة من الحلول التي يمكن دراستها واستكشافها.

ولكن عليك ان تكون حذرا. اختيار المواد في الطبيعة محدود للغاية. لا يوجد فولاذ في العالم الحي. في عالمنا هناك وهناك. ولهذا السبب لا أحب أن أسمي مجال بحثي "المحاكاة الحيوية" (تقليد الطبيعة) لأنني لا أريد تقليد الهياكل البيولوجية. أفضّل مصطلح: "الهندسة المستوحاة من الطبيعة" لأن ما أقوم به هو استخلاص المفاهيم والأفكار من المحتوى البيولوجي، بدلاً من الحلول المحددة. لا أرغب في بناء مأوى بحري، بل سقف مستقر ميكانيكيًا يحتوي على عدسات مجمعة للضوء. لن أستخدم المواد التي يستخدمها نحشون حاييم، لكنني سأأخذ منه الاستراتيجية.

كيف يمكن أن تكون الطبيعة مهندسة موهوبة؟

يدور عالم الحيوان حول الوظيفة: يجب على كل كائن حي أن يبتكر حلولاً تتعامل بشكل جيد مع المشكلات التي تواجهه: كيفية الانقسام، أو كيفية الشفاء، أو كيفية إنشاء أشياء تدوم. تتمتع الطبيعة أيضًا بميزة عظيمة: ملايين السنين من التطور. ليس لدينا هذا الوقت الطويل. هناك عامل آخر وهو أنه في عالم الحيوان لا توجد خيارات. فقط الأصلح يبقى على قيد الحياة. لقد انقرضت المهندسين السيئين. الخطأ يعني الخطأ.

هل كان لوالديك تأثير على كونك عالماً؟

كان والدي مهندسًا مدنيًا. قام بتصميم وبناء الجسور والطرق. كانت والدتي طبيبة متخصصة في الأمراض المعدية. لقد استلهمت من كليهما بطرق عديدة. درست والدتي الطب في الخمسينيات (في الاتحاد السوفيتي). في تلك الأيام، حظر ستالين أي ممارسة في علم الوراثة، وترأست مجموعة من الطلاب الذين التقوا سرًا ودرسوا الحمض النووي. لقد تم صنعها بلا خوف. لم أعرف قط شخصًا يتمتع بقوة إرادة مثلها.

عندما كنت صغيراً، أُصبت بشلل الأطفال، وأُصبت بالشلل في ساقي لفترة طويلة. خصصت والدتي الكثير من الوقت للتحدث معي. لقد أظهرت لي العالم الذي أطل من نافذتي. كانت تقول: "انظر إلى كيفية نمو الأشجار، وانظر إلى الأشكال التي تخلقها". "انظر إلى الأنماط التي يخلقها الماء عندما يتدفق في السيول." لقد كان رائعا حقا.

ما الذي أثار اهتمامك بالكيمياء؟

قد يبدو الأمر غريبًا بعض الشيء، لكن أحد الأشياء التي أحببت القيام بها عندما كنت طفلاً هو حل ألغاز الفواتير. عندما كنت في المدرسة الإعدادية، حصلت على القليل من المال من إحدى المجلات التي دفعت لي مقابل حل الألغاز للطلاب الآخرين. عندما وصلت إلى جامعة موسكو، التقيت بأشخاص درسوا الرياضيات والفيزياء والكيمياء. من المحادثات معك توصلت إلى استنتاج مفاده أن الرياضيات هي الرياضيات فقط، والفيزياء هي الرياضيات والفيزياء فقط، في حين أن مجال الكيمياء واسع جدًا. وكلما درست الكيمياء، زاد شعوري بأن الكيمياء هي العلم الذي يكمن فيه المفتاح. وتتفرع في كل اتجاه. إنه مكان رائع.

هل يبدأ كل ما تفعله ببعض النباتات أو الحيوانات التي تثير اهتمامك أم أنك تبدأ أحيانًا بتطبيق معين في ذهنك؟

أصبحت مجموعتي البحثية مهتمة بمجال "قابلية التبلل"، الذي يتناول مسألة مدى تنافر المادة للماء أو جذبها. نود أن نتعلم التحكم في درجة ترطيب الأسطح. وعلى مدى 15 عامًا، استلهموا جميعًا من نبات اللوتس، حيث يتدفق الماء فوقه وينغسل بشكل طبيعي (انظر مواد التنظيف الذاتي، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، ديسمبر 2008). لكن المشاركين في هذا المجال يعرفون بالفعل أن تطبيق أسرار اللوتس لأغراض عملية سيكون صعبًا للغاية. وتبين أن هذه المواد باهظة الثمن وليست متينة بدرجة كافية.

ولهذا السبب لجأنا إلى نموذج آخر من العالم الطبيعي: نباتات الإبريق. هذه نباتات آكلة اللحوم مزودة بـ "إبريق" يكون جانبه الداخلي زلقًا بشكل لا يصدق. النملة التي تتسلق إلى الفتحة سوف تنزلق إلى الداخل على الفور، وتُحاصر وتُهضم. مستوحاة من هذا السطح، قمنا ببناء سطح زلق مماثل. ويمكن استخدامه لتغليف الجدران الداخلية لأنابيب النفط، وهذا سيسهل بشكل كبير ضخ النفط وتدفقه. ومن حيث التطبيقات الطبية الحيوية، يمكن أن تساعد المادة على تدفق الدم بشكل جيد وتمنع نمو المستعمرات البكتيرية. الاستخدام الآخر المحتمل هو تغطية الجدران المقاومة للكتابة على الجدران. سوف ينزلق الطلاء منه. وهذا سوف يزعج هؤلاء الفنانين كثيرا.

برأيك، ماذا سيخترع لنا علم المواد في العقود القادمة؟

نحن نعرف كيف نصنع مواد قوية، ونعرف كيف نصنع مواد بصرية، ولكننا سيئون في إنتاج مواد تتفاعل مع البيئة، مواد تتغير خصائصها تلقائيًا، ويمكنها إصلاح نفسها، ويمكن أن تغير شكلها عند الحاجة. نحن بحاجة إلى مواد ذات سلوك تكيفي قابل للعكس.

لدينا، على سبيل المثال، مادة يمكن استخدامها للملابس "الذكية". يتغير تلقائيًا وفقًا لظروف الرطوبة البيئية. يجذب الرطوبة إليه عندما يكون الجو جافًا جدًا في الخارج، لكنه يطرد الماء عندما يهطل المطر. يمكنك أن تتخيل الاستخدامات العديدة التي يمكن أن تتمتع بها المواد القابلة للتكيف. عندما يكون الجو باردًا بالخارج، تريد أن تقوم النوافذ بتوصيل الحرارة إلى الغرفة قدر الإمكان، ولكن في يوم صيفي حار، تريد أن تعكس نفس المادة الضوء وتحافظ على درجة حرارة لطيفة داخل الغرفة.

إن اختراع مثل هذه المواد هو التحدي الأكبر في القرن الحادي والعشرين.

بعد أن تعلمت الكثير عن عالم الحيوان، هل تنظر إليه من منظور مختلف؟

يمكنك أن تقول نعم. أنا مهتم جدًا بتكوين الأنماط. ولهذا السبب عندما أسير على الشاطئ، أنظر باستمرار إلى الطريقة التي تصل بها الأمواج إلى الشاطئ. ويمكنني أيضًا أن أنظر طوال الرحلة إلى الخطوط التي تتركها الأمواج المتراجعة في الرمال. أنها تخلق أشكالا جميلة. يجعلني أفكر في علاقة هذه الأشكال بالشواطئ الأخرى أو بحجم حبات الرمل.

أنا حقا أحب البحر. الحياة هناك متنوعة ومذهلة للغاية. وأنا متأكد من أنه يمكننا تعلم شيء ما من كل كائن حي.

_________________________________________________________________________________

عن المؤلف

غاريث كوك (كوك) صحفي في بوسطن غلوب، حائز على جائزة بوليتزر ومحرر مدونة علم الأعصاب "Mind Matters" التابعة لمجلة Scientific American Mind.

باختصار

جوانا أيزنبرغ

الاحتلال | هواية

إدارة مختبر المحاكاة الحيوية

أين

جامعة هارفرد

تخصص

اختراع مواد جديدة مستوحاة من عالم الحيوان

المجال

"نحن ندرس أنظمة بيولوجية مثيرة للاهتمام، ولكن من وجهة نظر العلوم الفيزيائية."

والمزيد حول هذا الموضوع

صورة هارفارد: جوانا أيزنبرج. مجلة هارفارد، الصفحة 59؛ يوليو/أغسطس 2008. http://harvardmagazine.com/2008/07/joanna-aizenberg.html

أسطح زلقة ذاتية الإصلاح مستوحاة من الحيوية مع مقاومة شاملة للضغط. تاك سيك وونغ وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 477، الصفحات 443-447؛ 22 سبتمبر 2011.

مختبر أيزنبيرج للتمعدن الحيوي والمحاكاة الحيوية: http://aizenberglab.seas.harvard.edu/index.php

لمشاهدة فيلم عن عمل آيزنبرغ لإنتاج سطح يمنع التجمد، قم بزيارة الموقع www.sciam.co.il

 

في الموقع فقط

لقد تعمق مختبر أيزنبرغ في فهم فيزياء الماء لتصميم بوليمر طلاء منظم خصيصًا يصد تراكم الجليد تمامًا عند درجات حرارة تصل إلى 30 درجة مئوية تحت الصفر. يمكن لهذه المادة، أو مادة مشابهة سيتم تطويرها لاحقًا، أن تُستخدم يومًا ما في طلاء الطائرات أو أعمدة الجهد العالي أو أسطح المباني.

شاهد هذا الفيديو المذهل لقطرة ماء تتناثر على سطح مقاوم للماء ومضاد للتجمد في مختبر أيزنبرغ. للمقارنة، يمكنك رؤية سطحين آخرين في بداية الفيلم: الأول محب للماء والثاني كاره للماء "فقط".