Bilim ve Tasarımda Sonsuz Bir İnovasyon Kaynağı: Biyo-Taklitçilik

Biyo-esinlenme, doğayı harfiyen taklit etmekten ziyade, onun geliştirdiği çözümleri tasarım için bir ilham kaynağı olarak kullanmaktır. Taklitçilik, biyolojik evrimin en güçlü enstrümanlarından biri olmakla beraber, doğal dünyanın en muazzam...

Biyo-esinlenme, doğayı harfiyen taklit etmekten ziyade, onun geliştirdiği çözümleri tasarım için bir ilham kaynağı olarak kullanmaktır.

Taklitçilik, biyolojik evrimin en güçlü enstrümanlarından biri olmakla beraber, doğal dünyanın en muazzam tasarımlarına yol açmıştır. İnsanlar için de sonsuz bir yenilikçilik kaynağı olabilir.

Taklitten inovasyon doğar mı? Taklit etme, yineleme, inovasyon ise yenileme değil midir? Eski dille söylersek: bir tarafta tekerrür, diğer tarafta teceddüt yok mudur? Elbette! Oysa taklitçilik, biyolojik evrimin en güçlü enstrümanlarından biri olmakla beraber, doğal dünyanın en muazzam tasarımlarına yol açmıştır… İnsanlar için de sonsuz bir yenilikçilik kaynağı olabilir…

Doğada taklitçilik

HenryWalterBates

Taklitçilik kuramının temel kavramları Henry Walter Bates (18251892) tarafından ortaya konulmuştu. Sonraları “Bates Taklitçiliği” denilen ve doğal seçilime dayalı biyolojik evrimin hayvanlarda önemli bir tezahürü olan bu kuramı, Bates, Wallace ile birlikte çıktıkları Güney Amerika seyahati esnasında geliştirmişti.

Taklitçilik (mimicry, mimetics), canlılar dünyasının en şaşırtıcı olaylarından biridir. Özünde, taksonomik sınıflandırma açısından birbirine yakın olmayan gruplara ait iki organizmanın birbirine benzemesidir. Doğal dünyada çok farklı şekillerine tanıklık edilen taklitçiliğin en önemli işlevlerinden biri, düşman yanıltmaktır: Canlı, bu yolla hayatta kalma şansını artırır, veya bir diğer ifadeyle, doğal seçilim baskısını azaltarak var olma mücadelesinde avantaj elde eder. Örneğin bir kuş popülasyonunun beslendiği böceklerin zamanla evrimleşerek, zehirli olduklarından dolayı kuşların tüketmediği bir diğer böcek türünün görünümüne bürünmeleri tipik bir taklitçilik durumudur. Benzeşme, sadece dış görünümde değil, davranış, koku ve ses çıkarma gibi farklı düzeylerde de tezahür edebilir.

Taklitçilik, 19. yüzyıl doğa bilginlerinin dikkatini ziyadesiyle çekmiştir. Örneğin evrim kuramının eş-mucidi Alfred Russel Wallace, doğadaki öykün- meci olgular karşısında şaşkınlığa uğramış, ancak onlara tatmin edici bir açıklama getirememişti. Şu itirafta bulunmuştu Darwin’e bir mektubunda: “Doğal seçilim doğada neredeyse her şeyi açıklığa kavuşturuyor, ancak bir doğal olay grubu var ki, onunla bağdaştıramıyorum: Formların ve renklerin, aynı ülkede ve genelde tam aynı bölgede farklı hayvan öbeklerinde tekrar ve tekrar ortaya çıkışı. Bu durum böceklerde çok çarpıcıdır ve devamlı yeni örnekler ile karşılaşmaktayım.”01

Aslında taklitçilik kuramının temel kavramları, 1862 yılında Wallace’ın Malay Takımadalarını yayımlamasından tam yedi yıl önce, eski dostu Henry Walter Bates tarafından ortaya konulmuştu. Sonraları “Bates Taklitçiliği” denilen ve doğal seçilime dayalı biyolojik evrimin hayvanlarda önemli bir tezahürü olan bu kuramı, Bates, Wallace ile birlikte çıktıkları Güney Amerika seyahati esnasında geliştirmişti.

Taklitçilik, sadece hayvanlara ve bitkilere özgü bir olgu değildir elbette. İnsanoğlu da tarih boyunca farklı sorunlarına çözüm ararken doğayı ve diğer canlıları taklit etmekten kendini alıkoyamamıştır. Günümüzde bu faaliyetler “biyo-taklitçilik” (biomi- micry, biomimetics) adı altında toplanmaktadır. Geniş anlamda biyo-taklitçiliği, insanlığın sorunlarına çözüm getirmek amacıyla doğadaki tasarımları (Bu yazıda doğadaki “tasarım(lar)” dan söz ederken herhangi bir yaratılışçılık kavramına gönderme yapılmaz) inceleyen yeni bir bilim dalı olarak tanımlayabiliriz. Bu bağlamda sıklıkla kullanılmaya başlanan bir diğer sözcük de “biyo-esinlenme” (bio-inspirati- on) sözcüğüdür.

Tasarım amaçlı biyo-esinlenme

Biyo-esinlenme, doğayı harfiyen taklit etmekten ziyade, onun geliştirdiği çözümleri tasarım için bir ilham kaynağı olarak kullanmaktır. Doğadaki tasarımlar, evrimin milyonlarca senelik “deneme yanılma” süzgecinden geçmiş olup, en az enerji ve malzeme ile en fazla verim alabil- mekteler. Mimar Michael Pawlyn’in ifadesiyle: “Doğaya, 3,8 milyar senelik bir araştırma ve geliştirme süreci sonucu ortaya çıkmış bir ürünler ka- taloğu olarak bakılabilir. Bu boyutta bir yatırım mevcut iken, bu kataloğu kullanmak mantıklı olabilir.” Yapıları soğutmak ya da ısıtmak, su geçirmez yalıtkan malzemeler elde etmek, bir hacmin doluluk oranını eniyileştirmek, atık suları arındırmak, ya da enerjiyi en etkin biçimde kullanmak isteyenler ilk bizler değiliz. Dolayısıyla doğanın gözler önüne serdiği çözümler -örneğin biyo-yapılar (canlı organizmaların nasıl inşa edildikleri, enerjiyi nasıl kullandıkları, kendi kendilerini nasıl onardıkları, geri dönüşümlü olup doğa dostu olmaları), biyo-davranışlar (grupsal davranışlar) veya biyo-hareketlilik (canlılarda tahrik ve hareket mekanizmaları, sessiz çalışma)- mühendislik tasarımları için çok güçlü ilham kaynağı olabilir. (

Ancak, şu noktayı da göz ardı etmemeliyiz: Doğadaki tasarımların “mükemmel” olması, onların körü körüne izleneceği anlamına gelmez. Örneğin Leonardo da Vinci’nin “uçan
makina”sı, pedal gücüyle çalışan ve 10 metrelik bir açıklığa sahip devasa kanatlarını çırpabilen dev bir mekanik kuştu, ancak kâğıt üzerinde zekice tasarlanmış görünen bu aletin gerçekte uçabilmesi olanak dışıydı. Kuşlarda kanat iki farklı işlev görür: Şeklinden dolayı bir kaldırma kuvveti sağlar ve hareket etmesinden dolayı bir tahrik aracıdır. İtalyan üstadın tasarladığı o boyda bir makinenin ihtiyacı olduğu itme gücünü kanat hareketiyle sağlaması son derece verimsiz bir çözümdü (Bu yüzden kanat çırpan uçaklar yapılmaz; tahrik, motorlar sayesinde sağlanır).

Çok zengin bir alan

Biyo-esinli tasarım başlı başına yeni bir disiplin ve bir mühendislik dalı olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde akademik müfredatlara girmiştir; pek çok üniversitede de (örn. ABD, Avrupa ve ülkemizde) eğitimi verilen bir konu olup mükemmel bir disiplinler arası alan ve inovasyon kaynağıdır. Örnek vermek adına üzerinde çalışılan çok sayıda projeden sadece birkaç tanesini zikredelim:

İçinde bulunan bazı protein kom- pozitlerinden dolayı ultra dayanıklı bir yapıya sahip olan örümcek ağının ipeksi ipliklerinden esinlenerek, kevlar (çok sağlam liflerden oluşan sentetik bir fiber) maddesinden bile dayanıklı kurşun geçirmez kumaşlar, cerrahi için doğal ameliyat iplikleri üretmek…

En ileri litografi teknikleri ile DNA moleküllerini bir araya getirerek daha küçük, daha hızlı ve enerji tasarruflu mikroçipler üretmek, hatta tümleşik devre üretimindeki
geleneksel silisyum maddesi yerine DNA ve moleküler biyoloji donanımını kullanarak DNA bilgisayarı yaratmak.

Mürekkepbalığının, bulunduğu ortama tam bir uyum sağlayacağı şekilde derisinin renk ve desenlerini anında değiştirmesi örnek alınarak, bu tür özelliklere sahip, örneğin asker üniformaları yapımında kullanılabilecek yeni kumaşlar üretmek.

Lotus bitkisi yaprağının yüzeyinin hidrofobik su itici özelliğine sahip olmasından dolayı, kirin yüzeye yapışmak yerine su damlacıkları tarafından tasfiye edilişi (“lotus etkisi”) taklit edilerek, yüzey işleme teknolojilerinde, örneğin kendini temizleyen camlar üretmek.

Havada türbülanslı akışa yol açmadan hızla suya dalıp balık avlaya- bilen yalıçapkınının anatomik yapısı örnek alınarak, çok hızlı trenlerin şekillerini tünel girişlerinde herhangi bir dalga şoku yaratmayacak biçimde tasarlamak.

Engellilerin, özellikle görme engellilerin yön bulmalarını kolaylaştıran cihazların donanım ve algoritma tasarımında yunus ve yarasaların ekolokasyon sistemlerinden faydalanmak…
Bu konu başlıkları ziyadesiyle uzatılabilir, ancak bunu yapmaktansa yazımızın geri kalan kısmında birkaç biyo-esinlenme örneğine daha yakından bakmak istiyoruz.

Termitler(2)

Zimbabve’nin başkenti Harare’de- ki Eastgate Center binası mimarlık alanında biyo-esinli tasarıma sıkça örnek gösterilmektedir. Yapının iklimleme gereksinimi, herhangi bir klima aygıtına başvurmadan fiziksel fenomenlerden faydalanarak salt doğal yöntemlerle karşılanmaktadır.

Doğada-taklitçilik-örneği

Doğada taklitçilik örneği: Kırmızı derileri üzerinde siyah ve beyaz/sarı halkalara sahip zehirli Texas mercan yılanı (solda) ve zehirsiz Meksika süt yılanı (sağda) şaşırtıcı bir benzerlik sergileyen farklı yılan türleridir.

Untitled-17

İçinde bulunan bazı protein kompozitlerinden dolayı ultra dayanıklı bir yapıya sahip olan örümcek ağının ipeksi ipliklerinden esinlenerek, kevlar (çok sağlam liflerden oluşan sentetik bir fiber) maddesinden bile dayanıklı kurşun geçirmez kumaşlar üretiliyor.

Böylece tüm kompleks, bir klima sistemi barındırmamasına karşın, kışın oldukça ılık ve yazın da oldukça serin kalabilmektedir. Yapının tasarımı için Zimbabveli mimar Mick Pearce, termit yuvalarının sıcaklık ayarını mümkün kılan “baca etkisi”nden yararlanmıştır: Baca içerisindeki hava ile dışarıdaki hava arasındaki sıcaklık ve nem farklılıklarının yarattığı itme gücünün sıcak hava kütlesini sütundan yukarıya ve dışarıya doğru hareket ettirmesi ve bu suretle hava dolaşımının sağlanması (Ancak son araştırmalar, termit bacalarının esas işlevinin, yuvada sabit bir sıcaklık ve nem oranı yaratma amaçlı olmadığını göstermiştir. Bu araştırmalar, bacaların daha ziyade böceklerin kendi solunmalarından kaynaklanan karbondioksit atıkları içinde boğulma- maları için oksijen ve karbondioksit değiş tokuşunu sağlayan bir yapı oluşturduklarına, yani bir nevi akciğer işlevini yerine getirdiklerine işaret etmektedir).

yalıçapkını

Herhangi bir hava türbülansına yol açmadan suya dalabilen yalıçapkınının vücut yapısı çok hızlı trenlerin aerodinamik şekillerinin tasarımı için bir ilham kaynağı oluşturmaktadır

Termitler sadece mimarların ilgi ve hayranlığını kazanmış değillerdir. Örneğin mühendislik alanında da bu böceklerin davranış ve organizasyon yetenekleri incelenerek, herhangi bir merkezi koordinasyona ihtiyaç duymadan yapılar inşa edebilen robotlar araştırılmaktadır. Örneğin Harvard Üniversitesi’nde, sadece yakın çevreleriyle etkileşim halinde olan ve birtakım son derece basit kurallara uyarak yapılar inşa edebilen robotlar tasarlanmıştır. Karınca veya arı toplulukları gibi termit toplulukları da, her bir bireyinin “zekâsız” olduğu halde kolektif bir zekâya sahip “süperorganizmalar” olarak tarif edilebilirler.

kezinden yoksun, fakat akıllı kararlar verebilen, bu yüzden de insan beyninin enformasyon işleme süreçlerini anımsatan bu tür süperorganizmaların kolektif davranış tarzlarının mo- dellenmesinin, nörobilim alanında beyinsel karar süreçlerinin daha iyi anlaşılması bakımından faydalı olacağı düşünülmektedir.

Ajan-temelli sistemler

Bilgisayar bilimlerinde bir hesaplama modeli sınıfı oluşturan ajan temelli (agent based) sistemlerin tasarımında da yukarıda sözü geçen kavramlardan faydalanılmaktadır. Bu tür sistemlerde her “ajan” bencil bir şekilde kendi çıkarlarını gözetleyerek bireysel hedeflerine ulaşmak için çabalayan bir birimdir. Ancak çevresi ile etkileşim ve diğer ajanlar ile rekabet halinde olunca her bir birimin izlediği davranışlar, popülasyonun tümü açısından en iyi çözümlere yol açabilir. Hücrelerimizden tutun da, türler arası rekabete kadar bu şekilde çalışan sistemler doğada her ölçekte mevcuttur. Ajan temelli yaklaşım, örneğin biyolojide epidemi yayılımı analizi, nüfus dinamikleri, vejetasyon ekolojisi, farmakoloji, ilaç geliştirme vb. uygulamalarda da modelleme amaçlı kullanılmaktadır.

Bilgisayar bilimleri ve algoritmalar

Bilgisayar ve hesaplama bilimlerinde, genomlarda eşeyli üreme sürecinde ortaya çıkan mutasyon ve re- kombinasyonlar gibi değişimlerin bir benzerini kullanan ve doğal seçilime dayalı biyolojik evrime öykünen evrimsel algoritmalar, optimizasyon (eniyileme) amaçlı en sık kullanılan algoritmalar arasında yer alırlar (Hatırlatalım: Optimizasyon, en iyi olanı aramaktır. Örneğin A kenti ile B kenti arasında en kısa yolu bulmak, bir yatırım portföyünün risk oranını en aza indiren stratejiyi belirlemek, biyoloji alanında DNA dizilerini hizalayarak en benzer kromozom bölgelerini tespit etmek, vs.).
Evrimsel algoritmalar, esinlendikleri biyoloji alanının terminolojisini de benimsemişlerdir. Seçilim mekanizmasına dayanan bu tür algoritmalar, bir başlangıç popülasyonundan başlayarak, her nesilde en az uyumlu bireyleri eleyip en uyumluları bir sonraki nesli oluşturmaya yönelik üreme sürecine dahil etmeleriyle art arda yeni nesiller yaratırlar, ta ki en uygun birey(ler)in bulunmasına kadar; bu sonuca varıldığında algoritma durur [Matematiğin diliyle söylersek: uyumluluk, optimize edilmek istenen (eniyileme probleminde en büyük ya da en küçük kılınması istenen) amaç fonksiyonu ve popülasyon da, fonksiyona girilen değerlerin kaynaklandığı kümedir]. Algoritmanın çok genel bir tarifi şöyledir:

1) Popülasyonun ilk nesil bireylerini rasgele oluştur.
2) Sonuca ulaşana (örn. artık bir iyileşme elde edilmeyene) dek şu adımları tekrarla: a) popülasyondaki tüm bireylerin uyumluluğunu hesapla; b) en uyumlu bireyleri seç; c) mutasyonlar ve crossover kullanarak yeni bireyler üret.

“Genetik algoritmalar”, evrimsel algoritmaların genel çatısı altında bir alt sınıf oluşturur. Hesaplama bilimleri alanında, bu tür algoritmalarla bağıntılı olup doğadan esinlenen birçok optimizasyon algoritması icat edilmiştir. Örneğin “Karınca Kolonisi Optimizasyonu” algoritması, karıncaların, diğer karıncaları bir yiyecek kaynağına yönlendirmek için feronom maddesi salgılayıp yere bırakmaları ve bu yöntem sayesinde yuva ile yiyecek kaynağı arasındaki en kısa yolu bulmaları stratejisinden esinlenir.

Kontrollü evrim ve ilaç keşfi

def1cd79b16381d067c4b5c5637c6391

Termit yuvalarından esinlenerek tasarlanmış bir yapı: Harare (Zimbabve) Eastgate Center alışveriş ve ticaret merkezi

Biyolojik evrimsel süreçler, biyo- etkinlik özelliklerine sahip yeni kimyasal bileşiklerin keşfi için de bir ilham kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Doğada canlıların ürettiği biyo-aktif bileşiklerin uzun bir evrimleşme süreci sonucu ortaya çıkmış olduklarını hatırlarsak, yeni molekül arayışlarının da evrimsel süreçlerden faydalanabilecekleri çok açık.
Kontrollü Evrim (Directed Evolution) yönteminde, tıpkı evrimsel algoritmalarda olduğu gibi fakat şimdi gerçek laboratuvar ortamında, birkaç gen diziliminden başlayarak bunlar çoğaltılır, bunu yaparken de her yeni nesilde en uygun dizilimler seçilip çeşitlilik yaratan mutasyon/crossover eşliğinde üremeleri sağlanır. Bu süreci nesilden nesile tekrarlamak suretiyle sonunda en etkin gen/molekül dizilimleri elde edilir. Kontrollü evrim teknolojisi, tedavi amaçlı antikor seçimi ya da spesifik kanser türlerine karşı ilaç geliştirmede kullanılmaktadır. Gelecekte kişiye özel sağaltım tekniklerinde kilit bir rol oynayacağı söylenebilir.

* * *
İnsanoğlu kendini her zaman doğanın en yaratıcı varlığı olarak görmüştür. Ancak Biyo-Taklitçilik Enstitüsü’nün (Biomimicry Institu- te) kurucusu Janine Benyus’un şu ilginç sorusunun üzerinde durmaya değer: “Baharı tasarlamak istediğinizi düşünün. Bunu nasıl yaparsınız?” Herhangi bir merkezi kontrol sisteminin yokluğunda, salt dağı- tık biçimde, yasa, yönetmelik ya da protokollere başvurmadan, nasıl tasarlarsınız baharı? Doğa bu tasarımı milyonlarca senedir her yıl hayata geçirmektedir…

Pascal’ın Düşünceler den bu veciz sözüyle son noktayı koyalım: “Hayal gücü yaratmaktan usanır da, doğa sunmaktan usanmaz.”

Prof. Dr. Sedat Ölçer

DİPNOTLAR
1) S. Ölçer, Evrim Serüveni, Metis Yayınları, 2013.
2) A. Khan, Adapt: How Nature’s Strangest Inventions are Helping Design üur Future, Atlantic Books, 2017.
3) A. M. Davis, A. T. Plowright ve E. Valeur, Directed Evolution: the Next Revolution in Drug Discovery?, Nature Reviews, 2017.

 

 

BU İÇERİĞE EMOJİYLE TEPKİ VER!
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
Kategoriler
Bilim
Henüz Yorum Yok

Cevap bırakın

*

*

Benzer Konular