محاكاة الطبيعة Biomimicry

تقليد الطبيعة

هو ممارسة تطبيق الدروس من الطبيعة لابتكار تقنيات أكثر صحة واستدامة للناس حيث  يركز مصممو المحاكاة الحيوية ("المحاكاة الحيوية") على فهم الاستراتيجيات المستخدمة من قبل الكائنات الحية والتعلم منها ومحاكاتها ، بهدف إنشاء تصميمات وتقنيات مستدامة.

عرّفت جانين بينيوس  المؤسس المشارك لمعهد محاكاة الطبيعة  وعالمة الأحياء ومؤلف كتاب محاكاة الطبيعة: الابتكار المستوحى من الطبيعة ( الكتاب الذي جلب محاكاة الطبيعة إلى أعين الجمهور)  المحاكاة الحيوية على أنها " محاكاة واعية لعبقرية الحياة ". إنه:

"واعي": أن يكون متعمدا

"المحاكاة": التعلم من الكائنات الحية ، ثم تطبيق تلك الأفكار على التحديات التي يريد البشر حلها.

"عبقرية الحياة": إدراك أن الحياة قد وصلت إلى حلول جيدة التكييف صمدت أمام اختبار الزمن ، ضمن قيود كوكب ذي موارد محدودة.

باستخدام المحاكاة الحيوية ، يمكننا تطوير منتجات وعمليات وأنظمة جديدة أو تحسين التصميمات الحالية. يمكن أن يساعدنا في تغيير منظورنا ، ورؤية مشاكل التصميم والأهداف بشكل مختلف ، والكشف عن حلول "جديدة" للمشاكل

لماذا نحتاج تقليد الطبيعة

كوكبنا قديم - 4.5 مليار سنة. وعلى مدى 3.8 مليار سنة فقد آوت الحياة. منذ ذلك الوقت ، تكيفت ملايين الكائنات الحية وتطورت لتلبية احتياجاتها ضمن حدود الكوكب ، مما خلق نظامًا حيًا مترابطًا بشكل معقد في هذه العملية.

البشر نتاج هذا النظام الحي أيضًا ، لكننا قادمون جدد نسبيًا. في الفترة القصيرة التي قضيناها على الأرض (حوالي 200000 سنة)  طورنا بعض العادات المدمرة أيضًا. في الواقع ، لقد غيرنا الأرض كثيرًا ماديًا وكيميائيًا وبيئيًا لدرجة أن بعض العلماء يجادلون بعصر جيولوجي جديد: الأنثروبوسين . لقد تلاعبنا بأنظمة الأرض في العقود الأخيرة بدأنا حقًا في فهم عواقب أفعالنا.

لكن ربما يكون أكبر خطأ ارتكبناه هو نسياننا أننا جزء من النظم البيئية لكوكبنا ، ولسنا منفصلين عنها. نعتمد عليهم في توفير الضروريات مثل الهواء النظيف والماء والطعام. وفي المقابل ، فإن بقية الحياة على الأرض تعتمد علينا في أن نكون على دراية بحدود موارد الكواكب.

تقدم محاكاة الطبيعة فرصة لتصحيح الأمور - لتبني وجهة نظر أنظمة لعالمنا والبدء في العيش ضمن حدود الكوكب. تدرك محاكاة الطبيعة أننا محاطون بملايين الكائنات الحية والأنظمة البيئية التي لديها ما تعلمنا إياه عن البقاء والازدهار على الأرض. إنهم يواجهون العديد من نفس التحديات التي نواجهها - يحتاجون إلى البقاء دافئًا ، وتنقية المياه ، والحصول على الطاقة ، وما إلى ذلك - كل ذلك مع الحفاظ على الموارد الثمينة ودون الإضرار ببيئاتهم الخاصة.

مع العناية والتركيز ، يمكننا أن نتعلم محاكاة استراتيجيات الطبيعة الناجحة. حان الوقت الآن للبدء في إنشاء تصميمات ومواد وتقنيات خاصة بنا ليست مستدامة فحسب ، بل أيضًا متجددة وترميمية - تدعم نسيج الحياة على الأرض.

في ممارسة محاكاة الطبيعة ، نضع نصب أعيننا هدفًا جريئًا: بناء عالم أكثر ملاءمة للحياة - عالم تلتقي فيه التقنيات البشرية بنفس "قيود التصميم" التي تعمل بها بقية الحياة على الأرض. بالطبع ، لا يمكننا إنشاء هذا العالم المثالي بين عشية وضحاها. ولكن عندما نولي اهتمامًا وثيقًا لكيفية عمل الطبيعة ، ونتعلم كيف يمكننا محاكاة عبقريتها بطرق تعزز ، بدلاً من الانتقاص من كوكبنا ، يمكننا اتخاذ خطوات نحو تغيير كبير. بمرور الوقت ، يمكن أن تضيف كل هذه الخطوات إلى تحول في النظام ، وهي طريقة أفضل لتلائم عالمنا.

أنماط الطبيعة الموحدة التي يجب مراعاتها

     

تستخدم الطبيعة الطاقة التي تحتاجها فقط وتعتمد على الطاقة المتاحة مجانًا.

الطاقة مورد مكلف لجميع الكائنات الحية ؛ خطر استخدام الطاقة الزائدة هو الموت أو الفشل في التكاثر. لذلك ، يستخدمونها باعتدال ، وتكييف احتياجاتهم مع الكمية المحدودة من الطاقة المتاحة. بينما لا توجد طاقة "مجانية" ، لأن كل الطاقة تتطلب إنفاق الطاقة للحصول عليها ، فإن مصادر الطاقة الطبيعية متاحة مجانًا لأنها متجددة ، وموجودة محليًا ، ولا تحتاج إلى تعدين. تشمل الطاقة المتاحة بحرية مصادر مثل الإلكترونات من ضوء الشمس الذي تستخدمه النباتات في عملية التمثيل الضوئي ، وارتفاع التيارات الهوائية ، والرياح ، والمعادن الذائبة من فتحات أعماق البحار ، والمواد العضوية المتحللة ، والمغذيات من النباتات والحيوانات التي تتغذى عليها الكائنات الحية.

هناك نوعان من إنفاق الطاقة الرئيسيين للكائنات الحية هما الحصول على الطاقة (على سبيل المثال ، من خلال التمثيل الضوئي أو العثور على الطعام والتقاطه) وتنامي المواد التي تشكل أجسامهم ومنازلهم. تستخدم الكائنات الحية عمليات منخفضة الطاقة لتقليل كمية الطاقة التي تحتاجها. عادة ما تتضمن هذه العمليات التجميع الذاتي ، والبناء من الأسفل إلى الأعلى (العناصر الصغيرة إلى الكبيرة) ، واستخدام الهياكل المعيارية أو المتداخلة ، والبناء في درجات الحرارة والضغوط المحيطة

أمثلة علم الأحياء

كوندور

الكندور هي طيور كبيرة وحلقات تعتمد على ارتفاع تيارات الهواء الدافئة من أجل التحليق عالياً. الكندور ضخم ، وسوف يتطلب الأمر قدرًا هائلاً من الطاقة لدفع أنفسهم عن طريق رفرفة أجنحتهم. من خلال ركوب الحرارة ، يمكنهم الانزلاق طوال اليوم بحثًا عن الطعام. أثناء التزحلق ، يستخدم الكندور نفس القدر من الطاقة الذي يستخدمه لو كان يستريح على أعشاشه.

 

الطيور البحرية

الطيور البحرية هي مجموعة أخرى من الطيور التي تستخدم الطاقة المتاحة بحرية. لا توجد حراريات أو تيار صاعد فوق المسطحات المائية الكبيرة ، لكن الطيور البحرية تستفيد من سرعة الهواء التي تكون أبطأ بالقرب من سطح الماء بسبب الاحتكاك. إنها ترتفع ديناميكيًا عن طريق الغوص مرارًا وتكرارًا في وديان أمواج المحيط ثم العودة إلى الهواء. يكتسبون الطاقة من التدرج اللوني لسرعة الرياح ويمكنهم الطيران إلى أجل غير مسمى بتكرار نمط "التدوير" هذا.

 

 الإمبراطور البطريق

تتمتع طيور البطريق الإمبراطور بالعديد من الهياكل الجسدية التي تساعدها في الحفاظ على حرارة الجسم ، مثل الريش الخاص الذي يوفر الكثير من العزل. ومع ذلك ، في منزلهم في أنتاركتيكا ، يحتاجون إلى مساعدة إضافية للبقاء دافئًا ، ويحصلون على ذلك من بعضهم البعض عن طريق التجمع معًا للحفاظ على حرارة أجسامهم. بالنظر إلى ترتيب التجمهر هذا ، فإن طيور البطريق الأبعد في التجمع ستصاب حتمًا بالبرد. وبالتالي ، فإنهم يتناوبون على دخول المركز حتى يحصل الجميع على فرصة للبقاء دافئًا.

 

أذن البحر

قشرة أذن البحر أقوى 200 مرة من أقوى أنواع السيراميك عالي التقنية لدينا. بينما يصنع السيراميك لدينا باستخدام درجات حرارة عالية للغاية ، وضغوط عالية ، ومواد مستخرجة من الأرض ، فإن أذن البحر تصنع أصدافها في درجة حرارة مياه البحر وضغطها ، من المعادن المسحوبة من مياه البحر

تقوم الطبيعة بإعادة تدوير جميع المواد.

في الطبيعة ، تصبح فضلات كائن حي أو جسم متحلل مصدرًا للغذاء والمواد للكائنات الأخرى. بينما نتحدث عن "إعادة التدوير" ، فإن "إعادة التدوير" هي وصف أكثر دقة لما يحدث في الطبيعة. عادة ما يكون هناك العديد من الكائنات الحية ، أو بشكل أكثر دقة ، النظم البيئية للكائنات ، التي تقسم المواد العضوية المعقدة والجزيئات إلى جزيئات أصغر يمكن بعد ذلك استيعابها وإعادة تجميعها في مواد جديدة تمامًا. مثلما توجد دورة هيدرولوجية ، هناك العديد من الدورات الأخرى التي تتضمن المواد العضوية (دورة الكربون ، دورة النيتروجين ، إلخ) التي تعمل كنظم محلية وإقليمية وكاملة الأرض

الأشجار

في الطبيعة ، حلقة إعادة التدوير ليست مباشرة. لا يتحول الخشب مباشرة إلى خشب مرة أخرى. بدلاً من ذلك ، يتم تقسيم الخشب إلى مكوناته الكيميائية المختلفة بواسطة مجموعة من الكائنات الحية ، ومن ثم يمكن استخدام هذه المكونات من قبل المزيد من الكائنات الحية. في كل مرحلة من مراحل اضمحلال السجل ، يجد بعض الكائنات الحية استخدامًا للسجل. يصبح مأوى للبعض ، مكانًا لأداء رقصة التزاوج للآخرين ، ومكانًا لتخزين البذور أو الجوز. حتى قبل سقوط الشجرة الميتة ، تبدأ الكائنات الحية الأخرى في تكسير الكربوهيدرات والبروتينات في الجذع والأغصان ، واستخلاص الطاقة منها وإنشاء منتجات ثانوية أو فضلات يمكن أن تستخدمها الكائنات الحية الأخرى. بعض الفطريات قادرة على تحطيم مركب كيميائي معقد يسمى اللجنين ، والذي يمكن لعدد قليل من الكائنات الحية الأخرى التعامل معه.

الطبيعة مقاومة للاضطرابات.

أن تكون مرنًا يعني امتلاك القدرة على التعافي بعد الاضطرابات أو التغيرات الكبيرة غير المتوقعة في البيئة المحلية ، مثل تلك الناجمة عن حريق أو فيضان أو عاصفة ثلجية أو إصابة. يمكن أن يؤدي التنوع والتكرار واللامركزية والتجديد الذاتي والإصلاح الذاتي إلى تمكين المرونة في الطبيعة والقدرة على الحفاظ على الوظيفة على الرغم من الاضطراب. على مستوى الأنظمة ، يشير "التنوع" إلى وجود أشكال أو عمليات أو أنظمة متعددة تلبي حاجة وظيفية. يمكن أن يشمل التنوع مجموعة متنوعة من الاستجابات السلوكية أو الجسدية أو الفسيولوجية للتغيير في البيئة. يعني "التكرار" أن هناك أكثر من نظام أو كائن حي أو نوع تمثيلي واحد يوفر كل وظيفة ، وأن هناك تداخلًا لذا فإن فقدان ممثل واحد أو انخفاضه لا يؤدي إلى تدمير النظام بأكمله. تعني "اللامركزية" أن الآليات التي تحافظ على هذه الوظائف مبعثرة في جميع أنحاء النظام ، وليست موجودة معًا بشكل حصري ، بحيث لا يزيل الاضطراب المحلي جزءًا حيويًا أو أكثر من النظام بأكمله. "التجديد الذاتي" و "الإصلاح الذاتي" هما مصطلحان يتم تطبيقهما غالبًا على المستوى الخلوي أو العضوي ، ولكن يمكن أيضًا تطبيق التجديد الذاتي في السياقات البيئية. بالنسبة للأول ، تعني المصطلحات أن الكائنات الحية لديها القدرة على توليد خلايا جديدة ، وتضميد الجروح والأعضاء التالفة ، والاستجابة للتهديدات البكتيرية والفيروسية ، وأكثر من ذلك. "التجديد الذاتي" و "الإصلاح الذاتي" هما مصطلحان يتم تطبيقهما غالبًا على المستوى الخلوي أو العضوي ، ولكن يمكن أيضًا تطبيق التجديد الذاتي في السياقات البيئية. بالنسبة للأول ، تعني المصطلحات أن الكائنات الحية لديها القدرة على توليد خلايا جديدة ، وتضميد الجروح والأعضاء التالفة ، والاستجابة للتهديدات البكتيرية والفيروسية ، وأكثر من ذلك. "التجديد الذاتي" و "الإصلاح الذاتي" هما مصطلحان يتم تطبيقهما غالبًا على المستوى الخلوي أو العضوي ، ولكن يمكن أيضًا تطبيق التجديد الذاتي في السياقات البيئية. بالنسبة للأول ، تعني المصطلحات أن الكائنات الحية لديها القدرة على توليد خلايا جديدة ، وتضميد الجروح والأعضاء التالفة ، والاستجابة للتهديدات البكتيرية والفيروسية ، وأكثر من ذلك.

أمثلة علم الأحياء

 أشجار صنوبر صغيرة تنمو حول بقايا الأشجار المحترقة من الجيل السابق.

Lodgepole الصنوبر

اجتاحت حرائق كبيرة متنزه يلوستون الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية في عام 1988. بعد ذلك ، تمكنت غابات الصنوبر في لودغيبول من النمو مرة أخرى لأن أشجار الصنوبر بها نوعان من المخاريط: المخاريط العادية التي تفتح لإطلاق البذور في الظروف العادية والمخاريط المصلية الخاصة التي يتم إغلاقها براتنج وفتح فقط عند التعرض للحرارة العالية للنار. يوفر هذا التنوع في

المخاريط خيارات لإعادة البذر ، اعتمادًا على الظروف. تنتج كل شجرة أيضًا العديد من المخاريط وهذا التكرار يضمن على الرغم من أن نسبة صغيرة نسبيًا من البذور تنبت ، لا يزال بإمكان الغابة التعافي. إذا تم حرق منطقة ما وراء النقطة التي تعيش فيها المخاريط المصليّة ، فقد تساهم البذور من غابة أخرى قريبة أيضًا في التجديد.

النظم البيئية في البراري

يوجد في النظام البيئي في البراري مجموعة متنوعة من الأنواع النباتية التي تؤدي وظائف مختلفة في النظام البيئي ، مثل تثبيت النيتروجين ، واحتباس الماء ، وتثبيت التربة. تم تعزيز المرونة لأن هذه المجموعة المتنوعة من النباتات تنتشر في جميع أنحاء البراري وهناك العديد من الممثلين لكل نوع وكل مجموعة وظيفية. بشكل جماعي ، يعمل هذا التنوع كنظام لإدارة الآفات ، حيث أن العديد من الآفات خاصة بالنبات ولا يمكن أن تنتشر بسهولة بين النباتات في نظام بيئي متنوع. تؤدي قدرة النباتات على النجاة من أنواع مختلفة من الاضطرابات إلى بقاء طويل الأمد للنظام البيئي. في فترة الجفاف ، تصبح بعض الأنواع أكثر وفرة بينما يندر البعض الآخر. خلال السنوات الرطبة ، تتغير هذه العلاقة. لكن النظام البيئي لا يزال يعمل ، ويوفر خدمات بيئية.

تميل الطبيعة إلى التحسين بدلاً من التعظيم.

نظرًا لأن الطاقة والمواد ثمينة جدًا ، تسعى الطبيعة إلى تحقيق التوازن بين الموارد التي يتم الحصول عليها والموارد التي يتم إنفاقها. الطاقة التي يتم إنفاقها على النمو الزائد ، على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي إلى احتياطيات أو خصائص غير كافية من الطاقة التي تضر بقدرة الكائن الحي على البقاء والتكاثر ، مما يعني أنه لن يكون قادرًا على نقل جيناته. هناك ضوابط وتوازنات في كل من الكائنات الحية والنظم البيئية ، وبعضها يحدث عبر الأجيال. النمو من أجل النمو سيؤدي إلى آثار جانبية ضارة. في بعض الأحيان ، تظهر هذه الآثار الجانبية على الفور وربما يمكن عكسها ، وفي بعض الأحيان تظل مخفية لفترة طويلة حتى يكون الانعكاس متأخراً.

أمثلة علم الأحياء

 عظام

 تستجيب العظام للضغوط التي تتعرض لها بإضافة مادة (كالسيوم) حيث يلزم المزيد لتوفير القوة. هذا هو السبب في تشجيع النساء على ممارسة تمارين حمل الأثقال لمنع هشاشة العظام مع تقدمهن في العمر. في حين أن العظام الثقيلة قد تكون أقوى (على سبيل المثال ، يتم زيادة الوزن إلى أقصى حد) ، فإن تكاليف الطاقة للجسم الذي يحمل الوزن الزائد تكون عالية. لذلك ، إذا شعر الجسم أن العظم لا يحتاج إلى قوة في بعض المناطق ، فإنه يزيل الكالسيوم (على سبيل المثال ، يتم تحسين الوزن).

تطبيقات التصميم

منازل صغيرة

هناك مجتمع متزايد من الأشخاص الذين يصممون ويعيشون في "منازل صغيرة" فائقة الكفاءة. العديد من الأمثلة بالكاد تزيد عن 100 قدم مربع (أو أقل من 10 أمتار مربعة) ولكنها توفر جميع الوظائف الأساسية لمنزل كامل الحجم باستخدام مجموعة متنوعة من استراتيجيات التصميم.

توفر الطبيعة المنافع المتبادلة.

من بين الطرق المتنوعة التي تتفاعل بها الكائنات الحية مع بعضها البعض ، هناك العديد من الأمثلة على التفاعلات التي توفر منافع متبادلة. قد تكون الفوائد نتاجًا ثانويًا بسيطًا لسلوكيات معينة - على سبيل المثال ، عندما تكون نفايات كائن حي مورد كائن حي آخر - أو قد تنشأ من العلاقات الوثيقة التي تطورت بمرور الوقت. التكافل المتبادل هو أحد الأمثلة على العلاقة الوثيقة بين أنواع مختلفة من الكائنات الحية ، حيث يستفيد جميع الشركاء من العلاقة. نوع آخر من العلاقات الوثيقة يشمل التعاون بين أفراد المجموعة العائلية.

حتى التفاعلات التي عادة ما تضر بالكائن الحي ، مثل الافتراس أو التطفل ، يمكن أن تتضمن فوائد عند النظر إليها على مستوى مختلف. على سبيل المثال ، قد يأكل ذكر فرس النبي من قبل رفيقته بعد التزاوج ، مما يوفر تغذية مفيدة للإناث التي ستلد نسله في النهاية.

أمثلة علم الأحياء

الفطريات الفطرية

الفطريات الفطرية لها علاقة متبادلة مع العديد من النباتات. تنمو الفطريات مرتبطة بجذور النباتات تحت الأرض وتزيد بشكل كبير من قدرتها على امتصاص العناصر الغذائية الأساسية للتربة ، وخاصة الفوسفات. في المقابل ، تغذي النباتات الفطريات المرتبطة بجذورها بالسكريات الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي. تسمح خيوط الفطريات الدقيقة والمساحة السطحية الأكبر للفطريات بتناول العناصر الغذائية من حجم أكبر من التربة ، ويمكن أن تجعل إنزيماتها الفوسفات المعدني صالحًا للاستخدام في النبات. تدعم بعض الفطريات الفطرية أيضًا تغذية النبات من خلال استضافة بكتيريا مثبتة للنيتروجين تساهم في النيتروجين الذي يمكن أن يمتصه النبات أيضًا.

كسارة البندق كلارك

كسارة البندق كلارك هي طائر له علاقة متبادلة مع شجرة الصنوبر ذات اللحاء الأبيض في غرب الولايات المتحدة. كسارة البندق هي الموزع الأساسي لبذور الصنوبر الأبيض واللحاء. في سنوات إنتاج المخروط الكبيرة ، تستطيع كسارة بندق واحدة أن تجمع وتخزن في الأرض 3-5 مرات أكثر مما تأكله بالفعل. تستفيد الطيور من هذه العلاقة من خلال الحصول على بذور عالية السعرات الحرارية لتأكلها ، وتستفيد الشجرة لأن الطيور تدفن البذور لتخزينها على العمق المناسب تمامًا لتنبت لاحقًا في الشتلات.

كلوونفيش وشقائق النعمان

مثال آخر على العلاقة التبادلية هو علاقة سمكة المهرج وشقائق النعمان البحرية. للحماية ، تبحث أسماك المهرج عن ملجأ بين مخالب شقائق النعمان البحرية. تحتوي المجسات على كبسولات لاذعة تشبه الحربة تسمى الأكياس الخيطية التي تستخدمها شقائق النعمان لالتقاط الفريسة ودرء الحيوانات المفترسة. ومع ذلك ، تحتوي أسماك المهرج على مخاط على جلدها يحميها من لدغة شقائق النعمان المضيفة. نتيجة لذلك ، يستطيع كلوونفيش البقاء بالقرب من مضيفه ، محميًا من معظم الأسماك الأخرى في البحر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العناصر الغذائية من النفايات الناتجة عن سمكة المهرج تغذي شقائق النعمان. ومع ذلك ، فإن أسماك الفراشةقادرة على افتراس شقائق النعمان البحرية. في مناطق معينة من المناطق الاستوائية حيث تتعايش كلوونفيش وشقائق النعمان وأسماك الفراشة ، يخيف كلوونفيش أسماك الفراشة من شقائق النعمان المضيفة. لذا ، فإن حماية سمكة المهرج لشقائق النعمان هي جزء من العلاقة التعاونية

تعمل الطبيعة على المعلومات.

لكي تتوافق الكائنات الحية والنظم البيئية مع بيئتها ، تحتاج إلى تلقي معلومات من البيئة وتكون قادرة على التصرف بشكل مناسب استجابة لتلك المعلومات. وهذا يشمل إرسال واستقبال الإشارات من وإلى الكائنات الحية الأخرى أو حتى داخل جسم الكائن الحي. تم ضبط نظام الإرسال والاستلام والاستجابة هذا بدقة عبر ملايين السنين من التطور. تعمل بعض أنظمة المعيشة ضمن نطاقات ضيقة من الظروف المثلى ، لذا فهي بحاجة إلى مراقبة بيئتها باستمرار والاستجابة لها. البعض الآخر لديه نطاقات أوسع ، ولكن لا يزال يتعين أن يكون قادرًا على الكشف والاستجابة عندما تكون الظروف على هذا النحو بحيث تقترب من حدودها (على سبيل المثال ، درجة الحرارة القصوى القابلة للبقاء أو توافر الأكسجين). يعد استخدام حلقات التغذية الراجعة إحدى الطرق لمراقبة هذه الشروط. كلتا حلقات التغذية الراجعة السلبية (تلك التي تبطئ العملية) ،

أمثلة علم الأحياء

 المغردة

الطيور المغردة الصغيرة لها أفواه ملونة زاهية ، بما في ذلك بعض الألوان الزاهية حول حافة المنقار ، والتي تختفي مع نضوجها. يفتح الكتكوت فمه على مصراعيه لإظهار اللون ، مما يخلق هدفًا ساطعًا ويشير إلى والديه بأنه جائع. يكمل هذا بالمكالمات الصاخبة. يصنع الفرخ الأكثر جوعًا أكبر قدر من الضوضاء ويفتح فمه على أوسع نطاق. هذا يحفز الوالد على إطعام من هم في أمس الحاجة إليه. عندما يبدأ الكتكوت في الشعور بالشبع ، فإنه يرسل إشارة أقل قوة ، أو يتوقف عن الإشارة تمامًا ، مما يجعل الوالد يتفاعل مع الكتكوت التالي الذي يشير أكثر من غيره. هذه حلقة تغذية مرتدة تحدث بشكل متكرر على مدار اليوم.

شجرة السنط

زرافة تتصفح شجرة أكاسيا.

في السهول الأفريقية ، طورت مجموعات من أشجار الأكاسيا استراتيجية اكتشاف حسي بسيطة ولكنها معقدة للاستجابة للتهديدات من الحيوانات العاشبة. عندما تبدأ زرافة ، على سبيل المثال ، في تصفح أوراق شجرة أكاسيا ، فإن الأكاسيا تنبعث من غاز الإيثيلين لتحذير أشجار الأكاسيا الأخرى. تتلقى هذه الأشجار هذه الإشارة وتستجيب ، كجزء من حلقة التغذية الراجعة ، عن طريق إطلاق غاز الإيثيلين أيضًا ، وبالتالي تحذير الأشجار الأخرى القريبة. يشير الكشف عن الإيثيلين أيضًا إلى أن الأكاسيا تقوم بتصنيع وتوصيل سم ، مثل سيانيد الهيدروجين ، في أوراقها ، كجزء من استجابة ردود الفعل لردع الحيوانات العاشبة.

تستخدم الطبيعة الكيمياء والمواد الآمنة للكائنات الحية.

تقوم الكائنات الحية بالكيمياء داخل خلاياها وبالقرب منها. هذا يجعل من الضروري أن تستخدم الكائنات الحية المواد الكيميائية والعمليات الكيميائية والمواد المشتقة من الكيمياء التي تدعم عمليات الحياة. تعتمد كيمياء الحياة على الماء وتستخدم مجموعة فرعية من العناصر الكيميائية المكونة في هياكل ثلاثية الأبعاد دقيقة. يعد الجمع بين الهندسة المعمارية ثلاثية الأبعاد والتركيب هو المفتاح لتعظيم التجميع الذاتي ، وتوجيه النشاط الكيميائي وأداء المواد ، والسماح بالتحلل البيولوجي إلى مكونات مفيدة عند الانتهاء من عملهم. فيما يتعلق بأنظمة الإنتاج لدينا ، تنطبق أهمية استخدام المواد والكيمياء الصديقة للحياة على مستويات مختلفة من النظام ، بدءًا من الحصول على المواد أو تطويرها ، وحتى تصنيع المنتجات أو البضائع ، ونقل تلك السلع ، والنظر في ما يحدث لها في النهاية. من دورة حياتهم.

أمثلة علم الأحياء

 العناصر الموجودة في الكائنات الحية

يوجد 118 عنصرًا كيميائيًا في الجدول الدوري للعناصر (أربعة منها لم يتم تأكيدها بعد) ، لكن الطبيعة تقوم بالكم الهائل من كيمياءها باستخدام 28 عنصرًا فقط. يوجد أحد عشر عنصرًا في جميع الكائنات الحية ، بما في ذلك أربعة من أكثر العناصر وفرة في الغلاف الجوي - الكربون ، والهيدروجين ، والنيتروجين ، والأكسجين - وسبعة عناصر أقل وفرة بكثير من تلك الأربعة. توجد خمسة عناصر أخرى أيضًا بكميات صغيرة وأساسية في جميع الكائنات الحية (بما في ذلك بعض المعادن) ، و 12 عنصرًا توجد بكميات ضئيلة في بعض الكائنات الحية فقط. الحمض النووي (أو الحمض النووي الريبي في حالة بعض الفيروسات) هو الجزيء الذي يحتوي على التعليمات الجينية المستخدمة في تطوير وعمل جميع الكائنات الحية المعروفة. يتكون فقط من الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور ،

سلة زهرة فينوس

سلة زهور فينوس عبارة عن إسفنجة زجاجية تشكل بنية معقدة وجميلة باستخدام الماء كمذيب. يتكون الهيكل من السيليكا ،التي يسحبها الإسفنج من مياه البحرعند درجة الحرارة والضغط المحيطين. تنقل الألياف الزجاجية لسلة زهور الزهرة

الضوء بشكل أفضل من كابلات الألياف الضوئية الصناعية ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى دمج كميات ضئيلة من الصوديوم في الألياف.

تُبنى الطبيعة باستخدام موارد وفيرة ، ولا تدمج الموارد النادرة إلا بشكل ضئيل.

مواد الطبيعة وفيرة ومن مصادر محلية. هذا صحيح سواء كان الكائن الحي يبني شيئًا خارجيًا عن نفسه ، مثل تل النمل الأبيض أو عش ، أو تجميع المواد التي تشكل جزءًا من الجسم ، على سبيل المثال ، جناح ، أو قوقعة ، أو ورقة ، أو قرن. أكثر اللبنات الأساسية شيوعًا ووفرة - المركبات الكيميائية - هي تلك التي تتكون من العناصر الأكثر شيوعًا والتي يسهل العثور عليها على الأرض: الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين. يتم أيضًا استخدام عدد قليل من المعادن النادرة ، ولكن يتم العثور عليها محليًا وهي متاحة بسهولة ، وليست ملغومة أو معالجة أو مشحونة لآلاف الأميال. يتم التخلص من النفايات من خلال التصنيع الإضافي ومن خلال عمليات البناء حول مصادر المواد والطاقة منخفضة التكلفة والمتاحة بسهولة.

أمثلة علم الأحياء

العلبة

الذباب هي حشرات مائية. تجمع يرقاتهم المواد المحلية مثل شظايا صغيرة من الصخور أو الرمل أو الأصداف أو قطع صغيرة من الأغصان أو النباتات المائية لإنشاء أغلفة واقية متماسكة بالحرير. ولأنها تستخدم مواد محلية ، فإن الحافظات تندمج في بعضها ، مما يوفر الحماية من الحيوانات المفترسة. لا يتعين على ذباب Caddisflies أن ينفق الكثير من الطاقة في البحث عن المواد ، ولا يبحثون عن المواد النادرة ، فقط المواد الوفيرة. طعامهم محلي أيضًا ، وغالبًا ما يتم إحضاره مجانًا عن طريق المياه المتدفقة حول منازلهم.

ابتلاع الحظيرة

تبني حظائر السنونو أعشاشها بالطين المحلي ، وتبنيها على أسطح عمودية وتحت أعمدة الهياكل مثل الحظائر والجسور لحماية أعشاشها من المطر. يتم بناء كريات الطين لإنشاء عش مريح وآمن. الكوب الداخلي مبطن بالعشب والشعر والريش وكلها موجودة في البيئة المحلية.

تطبيقات التصميم

مباني Adobe

تشكل مواد Adobe أقدم المباني الموجودة على هذا الكوكب. يتم إنشاء مباني Adobe عن طريق خلط القش والرمل المحلي أو الطين أو التربة الأصلية بالماء لتشكيل الطوب الذي يتم تجفيفه عادة في الشمس. بالإضافة إلى كونه مادة غير مكلفة ومتاحة بسهولة ، فإن اللبن يتسم بالمتانة والكفاءة في استخدام الطاقة. في المناخات ذات الأيام الحارة والليالي الباردة ، تخزن الكتلة الحرارية لبنية من الطوب اللبن وتطلق الحرارة ببطء ، مما يؤدي إلى متوسط ​​درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة في اليوم.

الطبيعة منسجمة محليًا ومتجاوبة.

تزداد فرص البقاء على قيد الحياة عندما يكون الأفراد جيدين في التعرف على الظروف والفرص المحلية وتحديد الموارد المتاحة وإدارتها. يعتمد البقاء على قيد الحياة أيضًا على الاستجابة بشكل مناسب للمعلومات التي يتم الحصول عليها من البيئة المحلية. تطورت الكائنات الحية والنظم البيئية الموجودة في الموقع كاستجابة مباشرة للظروف البيئية المحلية. تتغير بعض هذه الظروف البيئية في نمط دوري ، مثل المد والجزر ، ليلا ونهارا ، والمواسم ، والفيضانات السنوية أو الحرائق. تستخدم الكائنات الحية تلك الأنماط الدورية التي يمكن التنبؤ بها كفرصة ، تتطور لملء مكانة معينة. داخل موقع معين ، توجد بيئات صغيرة ، مثل بقعة منخفضة أكثر رطوبة من المنطقة المحيطة أو منطقة تتعرض لرياح أكثر من غيرها. توفر هذه أيضًا فرصًا للكائنات الحية لتكون لها ميزة على الآخرين وتزدهر. تتغير بعض الظروف البيئية ببطء بمرور الوقت مع تغير المناخ أو عندما تؤثر الكائنات الحية والنظم البيئية على الظروف المحلية. إن القدرة على الاستجابة لهذه التغييرات ، واستخدامها مرة أخرى كفرص ، تسمح للكائنات الحية والنظم البيئية بالازدهار.

أمثلة علم الأحياء

النمل الأبيض

يحتاج النمل الأبيض في منطقة أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى إلى إمدادات ثابتة من الأكسجين الطازج وطريقة للتخلص من ثاني أكسيد الكربون الزائد ، تمامًا كما نفعل نحن. إذا لم يكن لدى النمل الأبيض وفطرياتها التكافلية تهوية كافية في أعشاشها ، فسوف تختنق.

يكمن حل معضلتهم في كيفية بناء أكوامهم. تعمل التلال ، التي يبلغ ارتفاعها من 2 إلى 3 أمتار (3 إلى 10 أقدام) فوق سطح الأرض ، كنظام تهوية. عبقرية هذا البناء سوف تتحدى المهندس. ومع ذلك ، فإن مليون نمل أبيض يفعل ذلك بدون وجود رئيس عمال واحد في الأفق.

فكر في كومة النمل الأبيض على أنها إجاص عملاق بنهاية سمينة - الجزء الذي يحتوي على عش النمل الأبيض وحدائق فطرية - مدفون تحت الأرض. يتكون الجزء الرفيع من الكمثرى ، وهو البرج المرئي للتل ، من مدخنة مركزية مغلقة القمة وشبكة من الأنفاق والقنوات الهوائية. جدران الكومة مصنوعة من تربة مسامية. المسامية مهمة للتصميم ، لأن الدافع الرئيسي لنظام التهوية هو الريح. عندما تتدفق الرياح عبر تل ، يتم إنشاء حقل ضغط معقد ، مع ضغوط موجبة في الوجه الأمامي للتل وضغط الشفط عند الوجوه الجانبية والخلفية. تجبر هذه الأنماط الهواء على الدخول عبر الطبقات السطحية للوجه الأمامي للتل ، وتسحب الهواء من القنوات السطحية عند الوجوه الجانبية والخلفية للتل. لأن سرعة الرياح واتجاهها يختلفان كثيرًا ، حركة الهواء في الكومة ليست أحادية الاتجاه ولا دورانية ؛ بدلا من ذلك ، هو المد والجزر ، مع دخول الهواء وخروجه ، على غرار رئتينا.

تلال النمل الأبيض هي هياكل تكيفية. مع تغير المستويات الداخلية للأكسجين وثاني أكسيد الكربون ورطوبة الماء ، يستجيب النمل الأبيض عن طريق ضبط الأنفاق وارتفاع الكومة. هذا يحافظ على التوازن ، أو التوازن ، داخل الكومة.

نباتات الصحراء

صحراء أتاكاما في تشيلي.

تعيش بعض أنواع النباتات السنوية في بيئات قاحلة مثل صحراء أتاكاما في تشيلي ، حيث قد يأتي المطر مرة واحدة فقط كل خمس سنوات. لا تحتوي هذه الحولية على استراتيجيات قوية للحفاظ على المياه ، ولكنها بدلاً من ذلك تتكيف بشكل كبير مع الوجود العرضي للأمطار (كما في سنوات النينيو). تستجيب بذورها بسرعة من خلال النمو والنمو السريع فقط خلال هذه الفترات. إنهم يضحون بالمياه في فترات الأمطار النادرة هذه لإنتاج أوراق أكبر لالتقاط المزيد من ضوء الشمس ، مما يسمح بالنمو السريع. كما أنها تنفق الطاقة لزراعة الأزهار بسرعة لجذب الملقحات خلال فترة وجيزة من توافر المياه. نظرًا لأن البذور متناغمة للغاية مع وجود الرطوبة ، فإن البذور لا تحاول حتى أن تنبت في السنوات التي يكون فيها المطر غير كافٍ ، وبدلاً من ذلك تظل نائمة خلال فترات الجفاف

تستخدم الطبيعة الشكل لتحديد الوظيفة.

تستخدم الطبيعة الشكل أو الشكل ، بدلاً من المواد والطاقة المضافة ، لتلبية المتطلبات الوظيفية. يسمح هذا للكائن الحي بإنجاز ما يحتاج إلى القيام به باستخدام الحد الأدنى من الموارد. يمكن العثور على الأشكال على شكل ظهر خنفساء وفي هيكل متعدد الطبقات لغابة مطيرة استوائية. إذا لاحظنا شكلاً في الطبيعة ، مع استثناءات نادرة جدًا ، فهناك دائمًا سبب وظيفي وراء هذا النموذج.

أمثلة علم الأحياء

 لسان القط

يحتوي لسان القطة على أشواك صغيرة ، تسمى الحليمات ، تسهل على القطط إزالة اللحم من عظام وأنسجة الفريسة الصغيرة التي تلتقطها. يستخدم اللسان أيضًا في الحلاقة الفعالة ، والتي هي في الواقع مهارة البقاء على قيد الحياة. بعد أن تلتهم القطة فريستها ، فإنها تعتني بنفسها لإزالة أي دليل باقٍ على القتل ، حتى لا تجذب الحيوانات المفترسة الكبيرة إلى الرائحة. سواء كانت القطة تنظف الفريسة أو تنظف نفسها ، فإن اللسان قادر على القيام بمعظم العمل بسبب شكله الشائك.

زعانف السمك

زعانف ذيل الأسماك لها أشكال مختلفة حسب وظيفتها الواضحة. أسماك التونة لها زعنفة هلالية ، مما يجعلها تسير بسرعة. سمك السلمون له زعنفة رملية بسطح كبير يمنحه قوة كبيرة للقفز أعلى مجرى الأنهار البرية. سمكة الجوبي لها زعنفة ذيل كبيرة ومرنة للغاية تجعلها قابلة للمناورة بشكل كبير.

فينوس صائدة الذباب

ومن المعروف جيدا صائدة الذباب فينوس آكلة اللحوم. يتم حبس الحشرات غير الحذرة عندما تنغلق ورقة النبات على شكل كوب. الآلية ، التي تسمى عدم الاستقرار المفاجئ ، تشبه نصف كرة تنس تقلب من الداخل إلى الخارج. عند الفتح ، تكون جوانب المصراع محدبة أو مدورة. عندما يتم تشغيلها ، تنفجر أسطح الأوراق المقابلة للداخل ، وتشكل تجويفًا وتغلق. توجد شعيرات صغيرة أو أهداب على طول حواف الأوراق. يؤدي اضطراب طفيف في الأهداب بواسطة حشرة إلى الانهيار الفوري للورقة. النباتات قادرة على تمييز الحشرات من قطرات المطر. أيضًا ، لا تغلق الورقة إلا إذا تم تحريك أهدبتين متجاورتين أو لمس أحد الأهداب مرتين ، مما يوفر طاقة النبات عن طريق منع الإنذارات الكاذبة.

تطبيقات التصميم

قطار شينكانسن

في اليابان ، يعتمد تصميم مقدمة قطار شينكانسن الكهربائي عالي السرعة على شكل منقار الرفراف. يحل شكل مقدمة القطار مشكلتين كان لدى المهندسين - الضوضاء وكفاءة الطاقة. كان التصميم الأقدم على شكل رصاصة حادة الأنف. عندما دخل القطار فائق السرعة إلى نفق ، دفع موجة ضغط أمامه. عندما خرج القطار والموجة التي أمامه من النفق ، أحدث صوتًا مرتفعًا مثل دوي اختراق الصوت. يستخدم التصميم الجديد الشكل لتلبية وظيفة منع موجة الضغط ، ويقلل من السحب على القطار ، وبالتالي توفير الطاقة.

ثلاثة طاولة

تم إنشاء Tre Table من لوح خشب واحد متصل ، حيث يأخذ مفهوم الأثاث متعدد الوظائف إلى مستوى جديد تمامًا. يسمح الشكل المحيط الفريد للتصميم باستخدام الطاولة كطاولة قهوة أو طاولة نهاية أو مكتب كمبيوتر أو صينية عشاء أو حتى حامل كمبيوتر محمول ورف مج