Ongelma(t): Mitä voimme oppia luonnosta? Miten voimme hyödyntää näitä oppeja?

Transkriptio

1

2 Ongelma(t): Mitä voimme oppia luonnosta? Miten voimme hyödyntää näitä oppeja? 2

3 Evoluutio on muovannut eliöt ja biomolekyylit elinympäristöönsä sopiviksi. Elinympäristön pysyessä suhteellisen muuttumattomana eliöiden ja molekyylien toiminnallisuus onkin mukautunut lähes optimaaliseksi. Biomimetiikan tavoitteena on kehittää ratkaisuideoita erilaisiin ongelmiin tutkimalla ja mukailemalla luonnollisia prosesseja. Bioniikka taas pyrkii parantamaan luonnon eliöiden toiminnallisuutta. 3

4 Tietojenkäsittelyn perusteet 2 Biomimetiikkaa ja bioniikkaa 4

5 Biomimetiikkaa ja bioniikkaa 5

6 Biomimetiikka ja bioniikka Käsitteitä: Biomimiikka/Biomimetiikka (engl. biomimicry, biomimetics). Bioniikka (engl. bionics) Luonnon eliöiden rakenteiden, toimintojen ja prosessien "matkimista" Bioniikan tavoitteena on kehittää ratkaisuideoita erilaisiin (tyypillisesti teknisiin) ongelmiin tutkimalla ja mukailemalla luonnollisia prosesseja. 6

7 Bioniikan suunnittelu ja arviointi 7

8 Elämä maapallolla Elämä on syntynyt maapallolle veden, orgaanisten yhdisteiden sekä arkkien ja bakteerien ansiosta. Vanhimmat tunnetut fossiilit ovat noin 3 miljardia vuotta vanhoja sinibakteerien aikaansaamia stromatoliitteja. Elämän kolme domeenia [1] [1] Ben Waggoner. Archaea: Systematics [verkkodokumentti] [viitattu ]. Saatavissa: 8

9 Arkkien ja bakteerien elinolot Arkit ja bakteerit ovat parhaiten ympäristön muutoksia kestäviä eliöitä. Halobacterium salinarium on yksi nykyisinkin elävä arkki, joka kestää: Suoraa auringonvaloa Korkeita lämpötiloja: yli 80 C vedessä ja yli 140 C kuivana Happamuutta ja emäksisyyttä: ph 0-12 Suolaisuutta: 3 M NaCl Halobacterium salinariumin elinympäristö suolasuolla [1] [1] Robert R. Birge. Protein-based computers. Scientific American,

10 Bakteerirodopsiini 1 Halobacterium salinarum käyttää auringonvaloa energianlähteenä ja pystyy liikkumaan. Purppurakalvo koostuu bakteerirodopsiinista ja rasvamolekyyleistä. Bakteerirodopsiini osallistuu kemiallisen energian tuottamiseen arkin käyttöön: ADP ATP. Bakteerirodopsiinin luonnollinen toiminta ja purppurakalvo [1] [1] Norbert Hampp. Bacteriorhodopsin as a photochromic retinal protein for optical memories. Chemical Reviews,

11 Bakteerirodopsiini 2 Halobacterium salinarumia voidaan kasvattaa ja siitä on mahdollista erottaa bakteerirodopsiinia. Miksi bakteerirodopsiini kiinnostaa? Biomolekyyli on valoaktiivinen: vaihtaa väriä ja tuottaa valosähköisen vasteen valolle herkkä: hyötysuhde 64 % pienikokoinen: nanometriä rakenteeltaan kestävä/epäherkkä eri ympäristötekijöille toiminnassaan pitkäikäinen yksinkertainen kasvattaa muunneltavissa ominaisuuksiltaan 11

12 Luonnollinen ja keinotekoinen näkö Ihmisen silmä ja keinotekoinen verkkokalvo bakteerirodopsiinista 12

13 Sensorin rakenteesta Kultaelektrodi Bakteerirodopsiini + polyvinyylialkoholi Tinaoksidi- tai kultaelektrodi Lasialusta tai piirilevy Ihmissilmän [1] ja keinotekoisen verkkokalvon rakenne [1] Helga Kolb et al. Webvision the organization of the retina and visual system [verkkojulkaisu]. John Moran Eye Center, University of Utah, 2005 [viitattu ]. Saatavissa: 13

14 Sensorin rakenteesta Ihmissilmän verkkokalvon tappisoluja [1] ja purppurakalvon bakteerirodopsiinimolekyylejä [2] [1] Helga Kolb et al. Webvision the organization of the retina and visual system [verkkojulkaisu]. John Moran Eye Center, University of Utah, 2005 [viitattu ]. Saatavissa: [2] D. Müller et al. Atomic force microscopy of native purple membrane. Biochimica et Biophysica Acta,

15 Sensorin rakenteesta Ihmissilmän rodopsiini [1] ja bakteerirodopsiini [2] [1] Helga Kolb et al. Webvision the organization of the retina and visual system [verkkojulkaisu]. John Moran Eye Center, University of Utah, 2005 [viitattu ]. Saatavissa: [2] D. Müller et al. Atomic force microscopy of native purple membrane. Biochimica et Biophysica Acta,

16 Sensorin toiminnasta Ihmissilmän rodopsiinin toiminta [1] ja bakteerirodopsiinin valosykli [1] Helga Kolb et al. Webvision the organization of the retina and visual system [verkkojulkaisu]. John Moran Eye Center, University of Utah, 2005 [viitattu ]. Saatavissa: 16

17 Sensorin ominaisuuksista Ihmissilmän tappisolujen ja kolmen erityyppisen bakteerirodopsiinin väriherkkyydet 17

18 Sensorin ominaisuuksista Spektrikuvat sekä ihmissilmän ja bakteerirodopsiiniin perustuvan keinotekoisen verkkokalvon vasteet. Puolipallomainen bakteerirodopsiinisilmä [1]. [1] Wei Wei Wang et al. Bioelectronic Imaging Array Based on Bacteriorhodopsin Film, IEEE Transactions on Nanobioscience,

19 Sensorin ominaisuuksista Jättiraakkuäyriäisen (Gigantocypris) halkaisija on enintään 25 mm. Se elää noin kilometrin syvyydessä valtameressä ei auringonvaloa. Sen herkkä mutta epätarkka näkökyky perustuu muutaman millimetrin halkaisijaltaan oleviin peileihin. Wikimedia Commons 19

20 Muistista Bakteerirodopsiiniin perustuvat optinen muisti [1] ja ihmismäisesti toimiva assosiatiivinen muisti [1] [1] Robert Birge et al. Biomolecular electronics: protein-based associative processors and volumetric memories. Journal of Physical Chemistry B,

21 Yhteenveto Elämä sopeutuu jatkuvasti ympäristöönsä ja eliöiden toiminta on hiotunut ympäristön tarjoamiin mahdollisuuksiin. Tekniikan alat voivat ottaa oppia luonnosta ja hyödyntää sitä esimerkkinä. Biomimetiikka ammentaa ratkaisuideoita luonnon eliöitä ja prosesseja tutkimalla ja mukailemalla. Bakteerirodopsiinista on tehty ihmissilmää muistuttava verkkokalvo ja aivojen toimintatapaa mukaileva valolla toimiva muisti. Luonnon ja biomolekyylien perustutkimus auttaa ihmistä myös esim. terveydenhoidon kautta. 21