Lehtiin on verhottu keksintöjen aarreaitta

Yöperhosten silmissä on valoa heijastamaton pinnoite. Saatat lukea näitä sanoja näytöltä, jonka kirkkautta on kehitetty samaa ominaisuutta jäljittelemällä. Kopioimalla kasvien pintarakenteita häiritseviä heijastuksia voidaan poistaa myös aurinkokennoista. Luonto pursuaa evoluution tuottamia innovaatioita – tutkijan ei tarvitse keksiä kaikkea alusta alkaen itse.

Moni luonnonmateriaali on ominaisuuksiltaan yliveto. Miljardien vuosien evoluution ansiosta kestävimmät, joustavimmat, tehokkaimmat ja aerodynaamisimmat ratkaisut ovat säilyneet eliöissä. Esimerkiksi hämähäkinseitti on monta kertaa vahvempaa ja muovailtavampaa kuin korkealuokkaisinkaan teräs.

Luonto on laboratorio, jonka ratkaisuista ihminen on aina ammentanut ideoita. Lentokoneiden siivet ovat saaneet innoituksensa lintujen lennosta ja nykyään myös valaiden evistä. Tarranauhan keksimiseen antoivat idean takiaiset. Termiitit taas ovat asuinrakentamisen mestareita: niiden pesiä jäljittelemällä saadaan tehokkaasti tuulettuvia taloja.

Evoluution optimoimien muotojen, rakenteiden ja yhdisteiden hyödyntäminen käytännön ongelmien ratkaisuun on nimeltään biomimetiikkaa.

Nanokalvot kuin kasvien lehdet

Auringonvalon tehokkaassa hyödyntämisessä kannattaa kääntää katse kasveihin. Niiden lehdet ovat kehittyneet keräämään keskustähtemme säteilyä ihanteellisella tavalla.

Dosentti Wei Cao tutkii auringonsäteiden tehokasta hyödyntämistä energiantuottoa varten. Cao johtaa Oulun yliopiston nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikössä ryhmää, joka kehittää esimerkiksi aurinkopaneelien päällystekalvoja.

Caon tutkimusryhmässä kopioidaan eri kasvilajien lehtien rakenteita nanokalvoille. Lehtien pintoja jäljittelevät kalvot voivat siirtää ja suodattaa auringon säteilyä oikeiden lehtien tavoin. Tutkijat osaavat jo päällystää luonnonlehdistä kopioiduilla rakenteilla aurinkopaneeleja. Niissä jäljitellyt pinnat vähentävät valon takaisinheijastusta ja tehostavat siten paneelien energiantuottoa huomattavasti.

Tavoite on oppia optimoimaan nanokalvojen rakenteita yhä edelleen. Esimerkiksi lootuskasvien lehdet hylkivät vettä ja kukkien mikroskooppiset rakenteet estävät pölyn ja lian tarttumisen. Toisenlaiset lehdet voivat kuitenkin kerätä auringonvaloa tehokkaammin. Tällaisia rakenteita keskenään yhdistelemällä voi saada aikaan esimerkiksi entistä tuottavampia, itsestään puhdistautuvia ja vettähylkiviä aurinkopaneeleita.

Aurinkopolttoaineita vihreitä eliöitä jäljittelemällä

Tehokkaammalle energiantuotannolle on tilausta, sillä globaali energiankulutus kasvaa tulevina vuosikymmeninä rajusti. Jo reilu tunti pallollemme osuvaa auringonvaloa kuitenkin riittäisi tyydyttämään ihmiskunnan nykyiset energiatarpeet vuoden ajaksi.

Fossiilisten polttoaineiden käyttöä ei voi enää lisätä, joten uutta energiaa on saatava muilla tavoin. Aurinkoenergia on yksi keinoista, mutta sitä on vaikea säilöä ja sen tuotanto vie tilaa esimerkiksi viljelyltä.

”Tulevaisuudessa energiaa kuluttavat myös vielä syntymättömät ihmiset ja kehittyvien maiden asukkaat, jotka eivät käytä energiaa tänä päivänä juuri lainkaan. Ongelmaa ei voi siis korjata vain energiaa säästämällä”, selittää molekulaarisen biomimetiikan tutkija Anders Thapper Uppsalan yliopistosta.

Auringon energiaa säilövät kemialliset polttoaineet ovat yksi vaihtoehto ongelmaan. Aurinkopolttoaineita voisi käyttää niinäkin hetkinä, kun auringon säteilyä ei taivaalta säkenöisi.

Inspiraatio tulee yhteyttävistä eliöistä. Suora menetelmä aurinkopolttoaineen valmistamiseen on kasvien yhteyttämisestä mallinsa ottava keinotekoinen fotosynteesi. Anders Thapper keskittyy siihen tutkimuksissaan.

“Yritämme jäljitellä luonnollista yhteyttämistä”, Thapper kertoo. ”Fotosynteesissä auringonvalo, vesi ja hiilidioksidi muuttuvat energiarikkaiksi molekyyleiksi ja hapeksi. Tutkimassamme keinotekoisessa fotosynteesissä auringonvalon avulla vedestä tuotetaan happea ja polttoainetta, tässä tapauksessa vetyä.”

”Niin kuin luonnollisessa fotosynteesissä, otamme energiaa auringon säteilystä ja varastoimme sitä kemialliseen yhdisteeseen”, Thapper selvittää. Tekniikalla saa polttoainetta, josta energiaa voi myöhemmin vapauttaa.

”Menetelmällämme saamme uusiutuvaa energiaa, mutta tuotamme polttoainetta pelkän sähkön sijaan”, Thapper avaa keinotekoisen yhteyttämisen hyötyjä. ”Luulemme kuluttavamme paljon energiaa sähkönä, mutta maailmanlaajuisesti sen osuus on vain 20 % kaikesta käytetystä energiasta. Muu energia käytetään jonkin polttoaineiden muodossa.”

Lääkkeitä pohjoisesta metsästä

Kasvien sisäisestä maailmasta inspiroituminen voi energiapulan helpottamisen lisäksi pelastaa ihmishenkiä. Kasvimikrobiologian dosentti Anna Maria Pirttilä Oulun yliopistosta tietää, mitä me ihmiset voisimme oppia kasvien ja niiden mikrobien välisistä vuorovaikutuksista.

Joka puolella kasvien solukoita on bakteereita. Ne eivät ole haitallisia, vaan suojelevat kasveja kylmyyttä, kuumuutta, kuivuutta ja taudinaiheuttajia vastaan. Pirttilä on kollegoineen löytänyt kasveissa elävistä bakteereista täysin uudenlaisia puolustuskeinoja.

Pirttilän tutkimusryhmä on paikantanut variksenmarjoissa elävistä mikrobeista aiemmin tuntemattoman, antibakteerisen proteiinin. Löydöksen seurauksena on syntymässä kokonaan uudenlaisia peptidiantibiootteja, jotka voivat auttaa taistelussa ihmiskuntaa uhkaavaa antibioottiresistenssiä vastaan.

Pirttilän ryhmä on löytänyt myös männynsilmuissa elävistä mikrobeista antioksidantteja, jotka parantavat silmujen selviytymiskykyä. Samat bakteerit voivat auttaa myös ihmistä: niiden tuottamat antioksidantit voivat suojella meidänkin solujamme erilaisten stressitekijöiden aiheuttamalta kuolemalta. Tavoite on luoda lääke kymmeniä miljoonia ihmisiä vaivaavan silmänpohjan ikärappeumataudin kuivaan muotoon, johon ei ole vielä hoitoa. Tiedot voivat auttaa myös hoitojen kehittämisessä Alzheimerin tautia vastaan.

Pirttilän mukaan ei ole epäilystäkään, etteikö luonnosta löytyisi vielä määrättömästi vastaavia yhdisteitä ja lääketieteellisten läpimurtojen mahdollisuuksia. “On lukemattomia menetelmiä, joista emme tiedä vielä mitään tai joita emme hyödynnä. Meidän tulisi ottaa luonnosta enemmän oppia – nyt olemme vasta raapaisseet pintaa.”

Teksti: Antti Miettinen
Henkilökuvat: Seija Leskelä

Juttu perustuu Geenit ja yhteiskunta -Argumenta-hankkeen 4.4.2017 Oulun yliopistossa järjestämään seminaariin “Biomimetics: Innovations Inspired by Nature” (linkki: http://www.oulu.fi/biocenter/genes-and-society/events-2017/biomimetics).

 

Viimeksi päivitetty: 1.6.2017