Aquí, en el noroeste del Pacífico, nos dirigimos a una ola de calor posiblemente histórica. El agua, la importancia de la hidratación, está en la mente de todos. La naturaleza se anticipó maravillosamente a nuestras necesidades.
En La maravilla del agua, Michael Denton mostró cómo las características de la corteza terrestre, la atmósfera, y las propiedades de la molécula de agua en sí, hacen que nuestro planeta sea profundamente adecuado para la vida. Sin embargo, una vez que un organismo tiene agua disponible, necesita manejarla adecuadamente. Las células están equipadas para absorber las moléculas individuales de H2O con una perfección exquisita. Los organismos más grandes también están dotados de técnicas para recolectar gotas de agua incluso en climas secos. Los científicos están aprendiendo a imitar su experiencia.
Enfriador de cactus
Muchas partes del mundo padecen una crisis de agua. A pesar de vivir en un planeta de agua, donde tres cuartas partes de la superficie de la tierra son océanos, solo el 0,5 por ciento de esa agua es agua dulce. Un artículo de Caltech recuerda uno de los viejos discursos motivacionales en el que Russell Conwell relataba la historia de un hombre que buscaba por el mundo para comprar diamantes y quebró en el proceso. El comprador de su terreno descubrió que la propiedad estaba llena de diamantes. Estaba rodeado por su sueño pero no podía verlo. De manera similar, los humanos están rodeados de agua dulce que está justo en el aire que respiran. Incluso los desiertos más secos como Atacama en Chile contienen agua traída por la atmósfera. El problema es cómo recolectarlo en forma potable. Los cactus lo hacen. ¿Pueden los humanos?
Los cactus tienen espinas con forma para acumular gotas de agua y dirigirlas hacia donde sea necesario. Inspirado por ese éxito, el equipo de Caltech fabricó espinas microscópicas hechas de hidrogel. Las espinas de los cactus funcionan porque «las estructuras cónicas ensambladas jerárquicamente de la espina de los cactus son capaces de recolectar niebla continuamente impulsando el movimiento direccional de las gotas». En las pruebas, las espinas fractales de Caltech, con forma de árboles en miniatura, lograron capturar el agua nocturna de la condensación. Se ha intentado antes la condensación de niebla, pero este sistema ofrece otra característica: la recolección de agua durante el día a partir del vapor. Puede funcionar 24 × 7. Como explica Robert Perkins de Caltech,
Las espinas están hechas de hidrogel; es decir, una red de polímeros hidrófilos (amantes del agua) que atraen el agua de forma natural. Debido a su pequeño tamaño, se pueden imprimir en una membrana delgada como una oblea. Durante el día, la membrana de hidrogel absorbe la luz solar para calentar el agua atrapada debajo, que se convierte en vapor. Luego, el vapor se vuelve a condensar en una cubierta transparente, donde se puede recolectar. Durante la noche, la cubierta transparente se pliega y la membrana de hidrogel se expone al aire húmedo para capturar la niebla. Como tal, el material puede recolectar agua tanto del vapor como de la niebla. [Énfasis añadido.]
Los ingenieros Ye Shi, Julia Greer y dos colegas escribieron sobre esto en Nature Communications. No tenían necesidad de evolución en su trabajo, pero mencionaron el diseño 14 veces en el documento. En estas dos frases, la palabra «diseño» aparece cuatro veces:
Diseñamos y demostramos un dispositivo de recolección de agua dulce durante todo el día que combina la recolección de niebla y la generación de vapor solar interfacial habilitada por micro-topologías 3D diseñadas en la superficie de la membrana de hidrogel PVA / PPy. Utilizamos principios de diseño bioinspirados y otras consideraciones de diseño para la captura eficiente de la niebla, el transporte direccional de gotas y el drenaje rápido para guiar nuestro diseño y fabricación de matrices de microárboles 3D compuestas por microconos ramificados auto-similares que imitan la estructura de las espinas en los tallos de cactus.
Agua nano-dirigida
Otro manipulador de agua maestro en cada célula viva es el canal de acuaporina. Las acuaporinas son una familia de canales de membrana que dirigen moléculas de agua individuales dentro o fuera de la membrana según sea necesario, una molécula a la vez. El personal de la Escuela de Ingeniería Cockrell, parte de la Universidad de Texas en Austin, estudió acuaporinas para imitar su desempeño supremo. Para aplicaciones como la desalinización, el equipo quería mejorar la filtración de agua y reducir el costo de energía. UTA dice,
Esta es la primera instancia de un canal artificial del tamaño de un nanómetro que realmente puede emular las características clave de transporte de agua de estos canales de agua biológicos. Y podría mejorar la capacidad de las membranas para filtrar de manera eficiente moléculas y elementos no deseados, al tiempo que acelera el transporte de agua, lo que hace que sea más barato crear un suministro limpio.
Construyeron canales de 3 nanómetros de ancho que “pueden pasar aproximadamente 80 kilogramos de agua por segundo por metro cuadrado de membrana”, mejor que cualquier membrana de desalinización comercial. Una analogía relata cómo el nuevo diseño imita las acuaporinas:
Los canales basados en acuaporinas son tan pequeños que solo permiten el paso de una sola molécula de agua a la vez, como una carretera de un solo carril. Una característica estructural única en estos nuevos canales es una serie de pliegues en los canales que crean «carriles» adicionales, por así decirlo, permitiendo que las moléculas de agua se transporten más rápido.
«Se pasa de un camino rural a una autopista en términos de velocidad de transporte por agua, dejando de lado otras cosas poniendo pequeños baches en el camino», dijo Aleksei Aksimentiev, profesor de física biológica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que colaboró en la investigación.
Su artículo fue publicado en Nature Nanotechnology, «Canales de agua artificiales ultrapermeables y altamente selectivos basados en plegómeros que excluyen los protones«.
El documento menciona la «capacidad sobresaliente de las acuaporinas (AQP) para mediar en el transporte de agua ultrarrápido altamente selectivo». Si su proyecto de inspiración biológica llega al mercado con éxito, parte de esa vasta agua del océano podría entrar en los vasos de los pobres de los países del Tercer Mundo. ¡Gracias, acuaporinas!
Tomadas rápidas
Los estados del este experimentaron recientemente el ensordecedor sonido de las cigarras después de que Brood X despertó de su letargo de 17 años. Si bien el ruido y la plaga parecida a las langostas pueden ser desagradables para muchos residentes, los ingenieros de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign tenían sentimientos más optimistas sobre los insectos. El pasado mes de octubre trabajaron duro imitando la notable habilidad de las cigarras para arrojar agua de sus alas.
“Elegimos trabajar con alas de esta especie de cigarra porque nuestro trabajo anterior demuestra cómo las complejas nanoestructuras en sus alas brindan una capacidad sobresaliente para repeler el agua. Esa es una propiedad muy deseable que será útil en muchas aplicaciones de ingeniería de materiales, desde alas de aviones hasta equipos médicos ”, [dijo uno de los ingenieros].
Para los barcos y otras embarcaciones que deben surcar el agua, otras criaturas proporcionan inspiración. Un artículo del Instituto Americano de Física resumió un artículo de su revista Physics of Fluids. ¿Qué criaturas obtienen los honores por esta habilidad?
Los peces y las algas secretan una capa de moco para crear una superficie resbaladiza, lo que reduce su fricción a medida que viajan por el agua. Una forma potencial de imitar esto es creando superficies con infusión de lubricante cubiertas con cavidades. A medida que las cavidades se llenan continuamente con el lubricante, se forma una capa sobre la superficie.
El documento cuenta cómo los ingenieros estudiaron la capa de moco debajo de la piel de estas criaturas (una un alga y otra un vertebrado) y cómo los organismos la secretan en su exterior. Con las mediciones en la mano, pueden ayudar sustancialmente a la industria del transporte marítimo, porque «los buques de carga de larga distancia pierden una cantidad significativa de energía debido a la fricción de los fluidos». Los peces se deslizan por el agua y las algas se agitan con gracia. ¿Alguna pregunta? “Esperamos los mecanismos de reducción de la resistencia que emplea la vida acuática puede inspirarnos sobre cómo mejorar la eficiencia”.
Problemas del mundo real
Vemos una vez más que los seres vivos saben cómo resolver problemas del mundo real que los humanos quieren resolver. Hemos visto algas, peces, cigarras, cactus y células humanas enseñar a los científicos sus trucos. El agua es un recurso abundante que solo es útil cuando se maneja adecuadamente. Debido a los diseños excepcionales en la vida, podemos esperar formas más eficientes de capturar, filtrar, atraer, repeler y deslizarnos a través de la maravilla del agua.
Artículo originalmente publicado en inglés por Evolution News and Science Today