Những thiết kế kỳ diệu của thiên nhiên (phần 1)

Trên sa mạc nóng bỏng, con thằn lằn bé nhỏ cao vỏn vẹn 2 cm ngước nhìn Parker sợ hãi như con khủng long sơ sinh vừa lạc mẹ. Nó có vẻ như quá xinh xắn cho vùng đất khắc nghiệt này, ấy vậy mà nó lại là "máy hút nước" vô cùng hiệu quả...

Một ngày giữa hè không một bóng mây trong tháng hai. Nhà sinh học tiến hóa Andrew Parker quỳ xuống cát nóng bỏng của vùng xa xôi hẻo lánh phía nam thành phố Alice Springs thuộc Australia và nhúng chân sau của con thằn lằn gai vào một chậu nước.

Vùng đất này cực kỳ khó sống - ở đây có một vài loài rắn độc nhất trên thế giới, trong số đó là rắn taipan dài 3 m. Đất tự nó cũng đã hoang dã: Gió thổi nóng như máy sấy tóc đang ở vận tốc cao nhất, mặt trời xuất hiện to hơn gấp 3 lần ở những vùng ôn đới. Đây là vùng khô cằn nhất của lục địa khô cằn có con người sinh sống. Những ai lưu lại nơi này cần biết chắc chắn rằng phải làm thế nào để có được ngụm nước kế tiếp.

"Xem này!", Parker kêu lên. "Lưng của nó ướt đẫm rồi!". Đúng là như vậy: Sau nửa phút, nước từ chậu qua chân con thằn lằn dâng lên cao và bây giờ đang óng ánh trên da đầy gai nhọn của nó. Vài giây sau đó nước đã đến mõm, hàm con thằn lằn bắt đầu cử động: Nó thật sự đang uống nước bằng chân. Nếu cho con thằn lằn gai thêm một ít thời gian, nó sẽ biểu diễn màn xiếc y hệt như vậy ngay trên cát ướt.

Parker muốn biết thật chính xác con thằn lằn làm như thế nào. Ông không những chỉ bị thúc đẩy bởi sự tò mò của một nhà sinh học mà còn có một mục đích cụ thể trong đầu: muốn chế tạo một thiết bị tương tự con thằn lằn gai để con người tìm được nước, cứu sống sinh mạng trong sa mạc.

Parker đã thí nghiệm với pipet, máy phun nước và bột màu để biết được con thằn lằn làm thế nào mà gom tụ và dẫn nước đi. "Nước chảy nhanh không tưởng được", ông nói và nhỏ một giọt nước từ cái pipet lên lưng con vật bé nhỏ. Giọt nước biến mất như có xảo thuật. "Da nó kỵ nước nhiều hơn là tôi tưởng. Nhất định phải có ống mao quản giấu ở đâu đấy để dẫn nước về miệng."

Chúng tôi thu dọn thiết bị vào chiếc ôtô chạy trên mọi địa hình. Con thằn lằn nhìn theo. "Để có thể hiểu được sự thích nghi đặc biệt của con thằn lằn gai đầu tiên là tôi phải làm quen với môi trường tự nhiên của nó: tính chất của cát, bóng mát, điều kiện ánh sáng", Parker nói trong lúc chúng tôi đang trên đường trở về trại nghiên cứu. "Bây giờ thì tôi xong công việc ban đầu rồi. Tiếp theo là sẽ xem cấu tạo da của nó qua kính hiển vi."

Chim Toucan. (Ảnh: www.birdwatchersdigest.com)

Những mẫu thiết kế hiệu quả từ sinh vật

Nhà sinh học người Anh Parker nghiên cứu theo yêu cầu của Viện Bảo tàng lịch sử tự nhiên London và Đại học Sydney. Ông là một trong những chuyên gia hàng đầu của ngành Phỏng sinh học (Biomimetics, nghĩa là mô phỏng thiên nhiên): Họ sử dụng nguyên tắc thiết kế của thiên nhiên để giải quyết những vấn đề trong kỹ thuật, vật liệu học, y học và những ngành khác. Ông đã từng nghiên cứu về độ sáng chói của vảy bướm, mai của bọ cánh cứng và về lớp giảm phản chiếu của mắt con bướm đêm. Công trình nghiên cứu của ông đã tạo khả năng cho việc phát triển màn hình điện thoại di động có độ sáng hơn và dẫn đến một phương pháp chống giả mạo mà bí mật đến nỗi ngay đến tên của doanh nghiệp nào đứng phía sau ông cũng không được phép tiết lộ.

Parker tìm gợi ý ngay cả từ quá khứ: Trong một viện bảo tàng tại Warsaw ông đã chú ý đến những rãnh cực nhỏ trong mắt của một con ruồi bị bọc trong hổ phách cách đây 45 triệu năm; chúng có tác dụng giảm phản chiếu. Ngày nay tế bào quang điện có mặt ngoài tương tự như vậy.

Công việc của ông Parker thuộc một ngành khoa học đang phát triển ở khắp nơi trên thế giới và ngày càng tăng tốc. Các kỹ sư ở Anh và ở Mỹ nghiên cứu về những chỗ phồng lên trên ở mặt trước của vây cá voi lưng gù. Mục đích của họ là thiết kế cánh cho phép máy bay linh hoạt hơn.

Tại Berlin, lông chim hình ngón tay ở đầu cánh của những loài chim ăn thịt đã gợi ý cho các kỹ sư thiết kế loại cánh máy bay thay đổi hình dáng trong lúc đang bay để giảm sức cản không khí và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Ở Zimbabwe các kiến trúc sư nghiên cứu cách thức con mối điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và thông khí trong tổ của nó để dựa vào những kiến thức này mà xây nhà có nhiều tiện nghi hơn. Các nhà nghiên cứu người Nhật đã làm cho việc tiêm thuốc ít đau hơn; họ gắn nhiều răng cực nhỏ vào kim. Chiếc vòi hút máu của con muỗi là kiểu mẫu cho họ.

"Phỏng sinh học mang lại cho chúng tôi nhiều phương pháp và ý tưởng hoàn toàn mới", nhà nghiên cứu vật liệu Michael Rubner của Viện Công nghệ Massachusetts nói. Phỏng sinh học dựa trên khái niệm sinh kỹ thuật (Bionics) cũ hơn. Sinh kỹ thuật chỉ cố gắng sao chép lại thiên nhiên, phỏng sinh học tìm hiểu nguyên lý cơ bản và cải tiến nó theo những yêu cầu kỹ thuật nhất định.

Ngay sau chuyến đi đến sa mạc Autralia tôi gặp lại Andrew Parker một lần nữa, lần này thì ở London. Tôi muốn tiếp tục tìm hiểu về công trình nghiên cứu con thằn lằn gai của ông. Trên đường từ cổng vào Viện bảo tàng lịch sử tự nhiên đến phòng thí nghiệm của ông trên tầng 6 chúng tôi đi ngang qua nhiều gian phòng rộng lớn. Ở khắp mọi nơi là sinh vật được bảo quản với sự đa dạng khổng lồ: trong một gian phòng là rái cá biển, trăn, thú lông nhím và kanguru trong những bình thủy tinh cao ngang hông, trong một bồn dài 20 mét là một con bạch tuột khổng lồ. Được trưng bày trong những gian khác là chim ruồi sặc sỡ màu sắc, chim toucan kỳ lạ và nhiều loài chim kỳ lạ khác. Giá này trên giá khác chất đầy những con bọ cánh cứng óng ánh như những hòn đá quý.

Cắn vỡ quả óc chó: Thiết kế nhẹ của chim toucan

Đối với ông Parker đó không chỉ là một bộ sưu tập để xem mà còn là "một kho báu của những thiết kế tuyệt vời từ thiên nhiên". Mỗi loài sinh vật là một lịch sử thành công riêng biệt, sản phẩm của tối ưu hóa qua hằng triệu năm sàng lọc. Tại sao con người không học tập những gì mà tiến hóa mang lại?

Độ sáng chói và màu sặc sỡ của những loài chim nhiệt đới không phải do các chất màu tạo nên mà là kết quả của những định luật vật lý: Nhiều kết cấu cực nhỏ được sắp xếp theo một trật tự nhất định sẽ phản chiếu ánh sáng có bước sóng nhất định. Những màu sắc như thế không bao giờ có thể phai và sáng hơn cả chất màu. Các nhà sản xuất màu, mỹ phẩm và ảnh ba chiều của thẻ tín dụng rất quan tâm đến chúng. Cái mỏ dường như kỳ lạ của con chim toucan là một thí dụ điển hình cho cấu trúc nhẹ có độ bền cao: Con chim toucan có thể dùng nó để cắn vỡ quả óc chó mà không hề bị ảnh hưởng trong khi bay do có trọng lượng rất nhẹ.

Gai của loài nhím là hình mẫu cho một kết cấu đàn hồi và tiết kiệm. Dây tơ của nhện nếu tính tương đối trên trọng lượng thì cứng hơn thép gấp 5 lần nhưng lại mềm dẻo hơn. Con đom đóm phát ra ánh sáng lạnh hầu như không bị thất thoát năng lượng trong khi một bóng đèn mất 95% năng lượng tạo ra nhiệt. Con bọ Melanophila đẻ trứng trên gỗ vừa cháy xong và để tìm gỗ này một cách nhanh chóng nó có những bộ cảm biến hồng ngoại định vị trí cháy rừng cách xa nhiều km. Không quân Mỹ cũng quan tâm đến việc này. Họ muốn qua đó cải tiến độ chính xác của tên lửa.

Nhiều kết cấu tinh vi của thiên nhiên chỉ bao gồm những vật liệu hết sức đơn giản: Keratin là thành phần chính của tóc, sừng và móng tay; cacbonat canxi là chất tạo nên đá phấn và đá vôi. Nhiều cấu trúc phức tạp đáng kinh ngạc hình thành từ chất này. Thí dụ như vỏ con bào ngư cũng từ cacbonat canxi. Nhưng kết quả không phải là phấn mềm mà là một cái vỏ cứng hơn gấp 3.000 lần và chịu lực tốt như sợi kevlar.

...Và đây là bí quyết của con thằn lằn gai

Muốn hiểu tính chất của những vật liệu như thế hay muốn mô phỏng theo chúng người ta phải xem xét cấu trúc của chúng ở độ lớn một phần ngàn hay một phần triệu milimét, trong thế giới của micro và nano. Và ông Parker làm đúng việc này trong ngày hôm nay với da của một con thằn lằn gai từ bộ sưu tập của viện bảo tàng. Dưới kính hiển vi điện tử ông muốn tìm kết cấu mà nhờ vào đó con thằn lằn có thể hút nước bằng chân và dẫn tiếp đi một cách rất có hiệu quả.

Một chuyên gia trợ giúp ông sử dụng kính hiển vi điện tử. Nhờ vào tài nghệ của người này mà khi nhìn vào màn hình dường như chúng tôi đang bay qua da của con thằn lằn gai như thể một tàu vũ trụ thăm dò đang bay vòng quanh một hành tinh lạ. Ở khoảng giữa một cái gai là một số nốt sần kỳ lạ. Chúng được sắp xếp thành hàng và càng xuống phía dưới thì càng nhỏ đi. Cuối cùng thì chúng tôi chìm vào trong một kẽ nứt ở phía dưới cùng của cái gai và nhìn thấy nhiều chỗ trũng hình dạng như tổ ong, mỗi chỗ trũng như thế có đường kính 25 micromét.

"A", ông Parker reo lên giống như Sherlock Holmes vừa tìm thấy chứng cớ. "Đấy rõ ràng là một bề mặt siêu kỵ nước." Nghiên cứu da con thằn lằn gai qua máy chụp điện toán cắt lớp chứng nhận giả thuyết của ông: Nhiều ống mao quản cực nhỏ giữa lớp vảy được xếp đặt để dẫn nước về mõm con thằn lằn. "Đã khám phá được bí mật của con thằn lằn gai rồi", ông nói. "Bây giờ thì có thể thiết kế phỏng theo nó."

Cùng với nhau, Parker, Cohen và Rubner (hai đồng nghiệp Mỹ) đã tiến đến rất gần đích của họ, một thiết bị thu thập nước loại mới. Mặc dù có ấn tượng rất nhiều về cấu trúc sinh học này nhưng đối với họ, thiên nhiên chỉ là một khởi điểm cho sự đổi mới. 

(Còn nữa)