V honbě za technologickým pokrokem se dnešní inženýři stále častěji inspirují u matky přírody. A aby ne! Na řešeních, která dnes můžeme vidět prakticky za humny, pracovala evoluce po dlouhé miliony let. Řadu technologií již inspirovali i zástupci nejpočetnějšího, ale snad i nejkrásnějšího hmyzího řádu – brouci. 21. STOLETÍ vás nyní seznámí s deseti nejaktuálnějšími z nich.
Slovo biomimetika, které se dnes čím dál častěji skloňuje mezi biology, inženýry či farmaceuty, je složeninou vzniklou ze dvou slov řeckých – bios neboli život a mimesis neboli nápodoba. Prakticky nejde o nic jiného než o snahu poučit se o možnostech řešení nejrůznějších problémů od přírody samotné. Nápady vzniklé za miliony let, po které evoluce designovala ideální technická řešení, tak přistanou v laboratořích či na rýsovacích prknech pouze po pár letech pečlivého „odkoukávání“. Mezi všemi skupinami organismů, s nimiž se dnes na naší planetě setkáváme, patří z hlediska biomimetických specialistů mezi premianty hmyz. Jednak je to skupina evolučně dosti stará, aby si s sebou nesla skutečně přepestrou zásobárnu nejrůznějších nápadů, jednak je dosti druhově početná na to, aby tato zásobárna byla prakticky bezedná. Připočteme-li k tomu ještě to, že hmyz je poměrně snadné ulovit, pozorovat či množit v laboratořích, pak nám vyjde, že hmyzu skutečně „patří budoucnost“.
1.Krasci učí vědce, jak vyrábět barvy
O jako skupinu se jedná: krascovití (Buprestidae)
Kterou částí těla inspirují: povrch těla
Jaké technologie inspirují: nová generace nátěrů na auta, bezpečnostní prvky např. na bankovkách či dalších ceninách
Brouci z čeledi Buprestidae nezískali své české pojmenování krasci skutečně nadarmo. Překrásným zbarvením těla, díky němuž skutečně často připomínají oživlé drahokamy, se s nimi mohou rovnat snad jen další brouci, kteří mají svou krásu přímo v názvu – zlatohlávci. Právě nádherné měňavé zbarvení řady tropických druhů krasců i zlatohlávků nadchnulo inženýry z Georgia Institute of Technology v americké Atlantě a rozhodli se, že mu přijdou na kloub. „Barvy běžně vznikají tak, že pokud světlo dopadne na dostatečně tvrdou podložku, je část jeho spektra odražena a další část absorbována či rozptýlena. Tito brouci však mají na svém povrchu buňky, které energie ze světla zvláštním způsobem přeskupí. Výsledkem je, že při pohledu z různých stran se brouci jeví jako různě zbarvení,“ vysvětluje Mohan Srinivasrao, který byl hlavním autorem studie. Srinivasrao přirovnává tyto fotoreflektivní buňky k tekutým krystalům, které již v optice své využití našly – např. při výrobě plochých monitorů (LCD). Vědci však sami přiznávají, že cesta jejich prvních objevů k aplikacím bude ještě dlouhá.
2. Nosorožíci – obrnění vzpěrači
O jako skupinu se jedná: nosorožíci (Dynastidae) a zlatohlávci (Cetonidae)
Kterou částí těla inspirují: uspořádáním těla s vnější kostrou, struktura krovek
Jaké technologie inspirují: roboty budoucnosti, špionážní letadla
Široká skupina listorohých brouků (Scarabaeoidea), mezi které řadíme například chrousty, roháče, nosorožíky či zlatohlávky, patří mezi nejmohutnější a nejsilnější zástupce hmyzu vůbec. Řada z nich je navíc vybavena skutečně těžko uvěřitelnými strukturami na hlavách či štítech, které dojem „živých tanků“ ještě výrazně posilují. Skutečnými šampiony mezi nimi jsou právě nosorožíci, kteří jsou pravděpodobně největšími „siláky“ mezi živočichy vůbec. Zástupci některých tropických druhů jsou schopní uzvednout až 800x větší váhu, než je váha jejich vlastního těla. Za jejich neuvěřitelnými výkony stojí v první řadě hlavní zvláštnost jejich tělesné konstrukce, která je odlišuje od nás obratlovců – superpevná vnější chitinová kostra, na kterou se svaly připínají zevnitř. Čínští inženýři pod vedením prof. Jinxiang Chena z Institutu pro vědu a technologii v Chang-čou v provincii Če-ťiang se nedávno inspirovali fyzikální strukturou krovek nosorožíka druhu Trypoxylus dichotomus. Napodobení jejího specifického prostorové upořádání, které se skládá z mnoha dílčích vrstviček, by mohlo napomoci ve vývoji materiálů pro kapoty aut budoucnosti.
3. Vrubouni – podzemní razidla i chodící lékárny
O jako skupinu se jedná: vrubounovití (Scarabaeidae)
Kterou částí těla inspirují: imunitní systém
Jaké technologie inspirují: léky proti nejrůznějším bakteriím
Brouky vrubouny zná většina laiků asi pod jejich lidovou přezdívkou „hovniválové“. Jejich životní styl je možná na první pohled nevábný, v přírodě však plní nezastupitelnou úlohu „odklízečů“ výkalů a také „hnojičů“ půdy. (U nás zástupci této skupiny prakticky nežijí, nahrazují je však jiné příbuzné druhy „lejnomilných“ brouků, např. chrobáci či hnojníci.) Jak bychom nejspíše čekali, inspirují se někteří vědci zvláštním tvarem těla, který tomuto hmyzu umožňuje pohyb skrze více či méně kompaktní hmotu výkalů. Čínští vědci z Laboratoře bionického inženýrství v městě Čchang-čchun se například zaměřili na analýzu „tunelovacích“ schopností vrubouna druhu Copris ochus. Pozornost dalších vědců se zase upnula na jejich imunitní systém. Životní prostředí těchto brouků je totiž přirozeným rejdištěm nejrůznějších patogenů, s nimiž se však dokážou bez zjevných potíží vyrovnat. Jako modelový organismus si vědci vybrali afrického vrubounka druhu Euoniticellus intermedius a nyní se zaměřují na mapování jeho genů, které by mohly mít co do činění s imunitní odpovědí. „Zatím sice žádné léky na bázi látek získaných z vrubounů nemáme, v blízké budoucnosti by se však mohlo mnohé změnit,“ říká nestor výzkumů vrubounů, prof. Monde Ntwasa z University of the Witwatersrand v jihoafrickém Johannesburgu.
4. Jak si víří vírníci?
O jako skupinu se jedná: vírníkovití (Gyrinidae)
Kterou částí těla inspirují: ustrojení těla, přední pár nohou
Jaké technologie inspirují: plavidla budoucnosti
Podobně jako jejich příbuzní potápníci žijí i brouci vírníci po většinu života ve vodě. Zatímco se však potápníci skutečně potápějí do větších hloubek, vírníci jsou typickými obyvateli rozhraní mezi vzduchem a vodou. K tomuto životnímu stylu je příroda vybavila velmi zvláštní adaptací – rozdvojenýma očima. Jejich horní část jim umožňuje pozorovat dění nad hladinou, ta spodní jim zas nechává nahlédnout do podvodního světa. Pozornost vědců ale upoutala vlastnost, která dala těmto drobným broučkům jméno – jejich styl plavby po hladině. Při lovu, vyrušení či při páření rejdí tito brouci velkou rychlostí sem a tam a při pohybu opisují na hladině divoké křivky. Na rozdíl od řady jiných tvorů, např. ryb či hmyzích larev, však nejsou ohební, ale pevně uzavření do skořápky své vnější kostry. „V podstatě jsou velmi podobní lodím, které mají také jednu část nad vodou a druhou pod vodou,“ popisuje jejich specifikum Frank Fish z West Chester University v americké Pensylvánii, který se specializuje na studium hydrodynamiky a energetiky pohybu vodních živočichů. Neuvěřitelných manévrovacích schopností dosahují především díky veslování specificky upravenýma předníma nohama, přičemž svou roli hraje také pohyb křídel. Podle dr. Fishe představují vírníci ideální model pro plavidla budoucnosti, která by se vyznačovala jak skvělými manévrovacími schopnostmi, tak „obojživelností“.
5. Hubitel kvasinek od tesaříka harlekýna
O jako skupinu se jedná: tesařík harlekýn (Acrocinus longimanus)
Kterou částí těla inspirují: imunitní systém
Jaké technologie inspirují: léky proti kvasince Candida glabrata (kandidóza)
Jihoamerický tesařík harlekýn patří bezpochyby mezi nejznámější brouky světa. Za své české jméno vděčí krásnému nápadnému zbarvení, které však tyto brouky na kmenech stromů tropických pralesů ideálně maskuje. Jeho druhové vědecké jméno však mnohé napovídá o jeho snad nejtypičtějším rysu. Latinské slovo longimanus můžeme do češtiny přeložit jako „s dlouhýma rukama“. Nejedná se pochopitelně o ruce, ale o přední pár nohou, který stejně jako tykadla výrazně přesahuje délku jejich těla. Podobně jako v případě vrubounů se však vědci nezajímají tak o jeho tělo, jako o jeho „vnitřní lékárnu“. Vlhké a teplé tropické prostředí totiž značně nahrává nejrůznějším druhům hub a plísní, a brouci tak mají co dělat, aby je tito parazité doslova „nesežrali za živa“. Vědcům z Centra pro molekulární biofyziku z francouzského Orleánsu se nedávno podařilo izolovat z jeho těla několik biomolekul (peptidů), které by mělo být možno využít v boji proti nepříjemnému nájemníkovi nemocnic, kvasince r. Candida.
6. Kanon, odkoukaný od prskavců
O jako skupinu se jedná: prskavci (Brachinini) z čeledi střevlíků (Carabidae)
Kterou částí těla inspirují: „střílna“, umístěná v zadečku
Jaké technologie inspirují: letadlové trysky, rozprašovače
Když na jaře uvidíme po chodníku pobíhat drobného broučka s červenou hlavičkou a štítem, většina z nás netuší, že jde o slavného brouka prskavce, známého z Pohádek z mechu a kapradí. Kanon, jímž tento střevlíček ohrožoval Křemílka a Vochomůrku, nebyl kupodivu pouze výplodem fantazie Václava Čtvrtka. Podobně jako jiné druhy střevlíků se brání před nepřáteli vystříknutím chemikálií ze zadečku, prskavci však svou strategii mistrně propracovali. Reakce, vzniklá smíšením sloučenin ve zvláštním orgánu na konci zadečku, vyprodukuje viditelný obláček i slyšitelné prasknutí, které dokáže překvapit a odehnat i predátory se značnou fyzickou převahou. Tropické druhy prskavců mají „střílnu“ na konci zadečku dokonce tak dokonalou, že dokážou „pálit“ prakticky do všech stran. Inženýry z britské University of Leeds pod vedením prof. Andyho McIntoshe zaujala především konstrukční dokonalost zadečkové trysky, kterou je možné uplatnit např. ve vstřikování automobilů či letadel, hasicích zařízeních či rozprašovačích. Licenci na rozprašovací zařízení, pojmenované µMist, již vlastní švédská firma Biomimetics 3000 Ltd.
7. Podvodní „dýchadlo“ potápníků
O jako skupinu se jedná: potápníci (Dytisticidae)
Kterou částí těla inspirují: chloupky okolo dýchacího zařízení na zadečku
Jaké technologie inspirují: kyslík, nutný pro spalování u podvodních motorů
Potápníci jsou skutečně nápadnými brouky. Abyste je potkali na suché zemi, museli byste mít velké štěstí a trefit se do krátké chvíle, kdy přelétá z jednoho jezírka či rybníčku do druhého. Většinu života, a to jak dospělého, tak larválního, tráví potápníci pod vodní hladinou. Jako larvy jsou sice vybaveni žábrami, jako dospělci je však ztrácejí a musejí se proto čas od času vznést k hladině a nadechnout se. Vzdušný kyslík pak vytvoří okolo jejich spodní části těla tenoučký plynný film, takzvaný plastron. Na jeho vytvoření se podílejí drobounké chloupky, séty, které vytlačují vodu kousek od těla. „Princip je podobný jako u lože z hřebíků. Na jeden hřebík byste se napíchli. Jejich rozmístění vedle sebe však vytvoří napětí kůže a jednotlivé hroty se tak nemohou do těla zabodnout,“ vysvětluje fyzik Glen McHale z britské Nottingham Trent University. A jaké využití by mohl mít syntetický materiál, založený na fíglu potápníků? Původní fantazií vědců bylo vyrobit podvodní dýchání pro lidské potápěče, tento cíl je však velmi obtížné realizovat. Jako mnohem pravděpodobnější se jeví využití u podvodních zařízení, poháněných kyslíko-vodíkovými palivovými články. Kyslík potřebný pro spalování by mohl být získáván přímo z vody.
8. Vodovod na krovkách pouštních potemníků
O jako skupinu se jedná: potemníci rodu Stenocara
Kterou částí těla inspirují: struktura krovek
Jaké technologie inspirují: získávání vody v pouštních oblastech
Život v extrémních podmínkách pouští s sebou nese nároky, kterým se podařilo přizpůsobit jen poměrně malému počtu druhů organismů. Kromě speciálních úprav hospodaření s teplem stojí před obyvateli pouště zejména problém, jak získat dostatečné množství vody, nutné pro hladký průběh metabolických reakcí. Jedinečnou strategii si osvojili potemníci rodu Stenocara, jejichž vlastí je jihoafrická poušť Namib. Na poušti se voda přece jen čas od času – díky nedalekému Atlantskému oceánu – vyskytne. Problém je v tom, že je v nepříliš použitelném plynném skupenství (vodní pára). Brouci však tento problém obešli a naučili se páru srážet na svých bohatě zprohýbaných krovkách. Povrch některých oblastí je takzvaně superhydrofilický, tedy takový, který přitahuje vodu, jiné, jakoby „povoskované“ části jsou naopak pro vodu extrémně odpudivé, superhydrofobické. Broukovi stačí vylézt na písečnou dunu, nasměrovat své tělo k oceánu a zdvihnout zadeček. Zachycená a vysrážená pára mu pak sklouzne do úst jako po skluzavce. Jejich jedinečnou technologii získávání vody se s použitím nanovrstev snaží napodobit materiáloví inženýři Michael Rubner a Robertz Cohen z Massachusettského technologického institutu. Na bázi tohoto materiálu chtějí zkonstruovat zařízení na „sklizeň vody“, vhodná pro země s velkým podílem pouští.
9. Afrodiziakum i lék „španělských mušek“
O jako skupinu se jedná: majkovití brouci puchýřníci druhu Lytta vesicatoria
Kterou částí těla inspirují: obranná látka kantaridin
Jaké technologie inspirují: široké spektrum léků na bázi kantaridinu
Jen málokterý druh brouka má mezi lidmi tak dlouhodobou a tak rozporuplnou pověst jako brouci puchýřníci, známější pod lidovým názvem „španělské mušky“. Tito krásně kovově zeleně zbarvení brouci, které nalezneme nejčastěji na květech šeříků či ptačího zobu, dávají přednost teplejším regionům, u nás je vzácně potkáme na jižní Moravě. O schopnosti látky kantaridinu, který je obsažen v jejich tělesné tekutině hemolymfě, stimulovat mužskou erekci věděli již Římané. V období středověku a renesance se k funkci afrodiziaka přidružila ještě funkce travičská – kantaridin, podávaný ve větších dávkách, je prudkým jedem. Na tyto účinky také doplatil francouzský libertin markýz de Sade, který byl k uvěznění v pařížské Bastile odsouzen právě za (údajně neúmyslné) přiotrávení dvou účastnic svých sexuálních večírků. Jako afrodiziakum se dnes již kantaridin neužívá, jako uměle syntetizovaná látka má však před sebou slibnou budoucnost v léčení rakoviny. Již tradičně se také osvědčuje při léčení kožních onemocnění virového původu – bradavic.
10. Suché lepidlo na nohách mandelinek
O jako skupinu se jedná: mandelinky (Chrysomelidae)
Kterou částí těla inspirují: spodní část chodidel
Jaké technologie inspirují: lepidlo vhodné pro hladké povrchy, např. sklo či kachličky
O tom, čím se živí mandelinky, má povědomí snad každý. Jméno těchto většinou poměrně drobných brouků (do 1 cm) je téměř synonymem pro listožravého škůdce. Aby se udržely na hlavním zdroji své potravy, tedy na listech, musí být vybaveny velmi výkonným „přisávacím“ zařízením. Specialisté z laboratoří Institutu Maxe Plancka v německém Stuttgartu pod vedením entomologa Stanislava Gorba se zaměřili na výzkum a umělé napodobování struktur na chodidlech mandelinek, které pod mikroskopem vypadají jako „houby“ s nožičkou a kloboučkem. Právě tato zvláštní struktura, kdy jsou jednotlivé „kloboučky“ umístěny těsně vedle sebe, je zodpovědná za obrovskou přilnavost jejich chodidel. Její napodobení by mohlo vést k vytvoření ideálního suchého lepidla pro přilnavé povrchy.
Kolik je na Zemi vlastně druhů organismů?
Podle mezinárodního týmu, vedeného dr. Andrewem Hamiltonem z univerzity v australském Melbourne, jehož členem byl i význačný český entomolog Vojtěch Novotný z Biologického centra v Českých Budějovicích, je třeba dřívější odhady notně poupravit. Víceméně standardní cifrou se v posledních letech stal počet okolo 30 milionů, podle jejich závěrů je třeba počítat s počty výrazně nižšími – za nejpravděpodobnější hodnotu označili počet 5,5 milionu druhů. Ani tyto zpřesněné odhady však nemění nic na dominantním postavení brouků, jichž známe dnes na 350 000 druhů.
