So I'd like you to join me on a field trip, and I want to go to the beach, and take you all to the beach and so enjoy the sea air and the salt spray. And let's go down to the water's edge, and you're going to notice is we're getting knocked around by the waves, and it's really difficult to stay in place. But now, look down, and what you're going to see is that the rocks are covered by all sorts of sea creatures that are just staying there in place, no problem. And it turns out that if you want to survive in this really demanding environment, your very existence is dependent upon your ability to make glue, actually.
Gostava que viessem comigo numa visita de estudo. Gostava de ir à praia e levá-los a todos à praia para gozarmos o ar do mar e a maresia. Vamos até à borda da água. Reparamos que somos sacudidos pelas ondas do mar e temos dificuldade em nos manter no mesmo sítio. Mas olhemos para baixo e veremos que as rochas estão cobertas por todo o tipo de criaturas marinhas que se mantêm no seu lugar, sem problemas. Acontece que, se queremos sobreviver neste ambiente muito exigente, a nossa existência depende da capacidade de fabricar cola.
So let me introduce you to some of the heroes of our story, just a few of them. So these are mussels, and you'll notice they're covering the rocks. They've made adhesives, and they're sticking down on the rocks, and they're also sticking to each other, actually. So they're hunkered down together as a group.
Vou apresentar-vos a alguns dos heróis da nossa história, só a alguns. Estes são os mexilhões e hão de reparar que cobrem as rochas. Fabricam cola e ficam colados às rochas e também se colam uns aos outros. Aninham-se em grupos.
This is a close-up photograph of an oyster reef, and oysters, they're amazing. What they do is they cement to each other, and they build these huge, extensive reef systems. They can be kilometers long, they can be meters deep, and arguably, they're the most dominant influence on how healthy any coastal marine ecosystem is going to be, because what they do is they're filtering the water constantly, they're holding sand and dirt in place. Actually, other species live inside of these reefs. And then, if you think about what happens when a storm comes in, if the storm surge first has to hit miles of these reefs, the coast behind it is going to be protected. So they're really quite influential.
Esta é uma fotografia de um recife de ostras. As ostras são espantosas. Colam-se umas às outras e constroem estes enormes sistemas de recifes. Podem ter quilómetros de comprimento, metros de profundidade, e podemos dizer que são a influência mais dominante de como será saudável qualquer ecossistema marinho, porque estão permanentemente a filtrar a água, estão a manter no seu lugar a areia e a sujidade. Há outras espécies a viver no interior destes recifes. Depois, se pensarmos no que acontece quando há uma tempestade, se a tempestade atingir primeiro estes quilómetros de recifes, eles mantêm a costa protegida. Portanto, são muito influentes.
If you've been to any rocky beach pretty much anywhere in the world, you're probably familiar with what barnacles look like. What these animals do -- and there's many others, these are just three of them -- is they make adhesives, they stick to each other, they stick to the rocks and they build communities, and by doing this, there's a lot of survival advantages they get. So one of them is that just any individual is subjected to less of the turbulence and all the damaging features that can happen from that environment. So they're all hunkered down there.
Se chegarem a qualquer praia rochosa em qualquer parte do mundo, provavelmente conhecem o aspeto das cracas. Estes animais — e muitos outros, estes são apenas três — fabricam colas, colam-se uns aos outros, colam-se às rochas e criam comunidades. Ao fazerem isso, obtêm muitas vantagens de sobrevivência. Uma delas é que qualquer indivíduo está menos sujeito à turbulência e a todas as condições prejudiciais que podem advir desse ambiente. Assim, estão ali todos aninhados.
Then, also, there's a safety in numbers thing, because it also helps you keep away the predators, because if, say, a seagull wants to pick you up and eat you, it's more difficult for the seagull if they're all stuck together.
Também há uma questão de segurança porque ajuda-os a manterem os predadores afastados. Se uma gaivota quiser apanhar um e comê-lo, tem mais dificuldade se eles estiverem todos juntos.
And then another thing is it also helps with reproductive efficiency. So you can imagine that when Mr. and Mrs. Barnacle decide, "OK, it's time to have little baby barnacles" -- I won't tell you how they do that just yet -- but when they decide it's time to do that, it's a lot easier and their reproductive efficiency is higher if they're all living close together.
Há outra coisa que também ajuda à eficácia reprodutiva. Podemos imaginar que, quando o Sr. e a Sra. Craca decidem "Ok, chegou a altura de termos cracas bebés" — não vou dizer como é que eles fazem isso, mas, quando decidem que é a altura de o fazerem, é muito mais fácil e a eficácia reprodutiva é mais alta se viverem todos juntos.
So we want to understand how they do this, how do they stick, and I can't really tell you all the details, because it's something we're still trying to figure out, but let me give you a little flavor of some of the things that we're trying to do.
Queremos perceber como fazem isso, como se colam uns aos outros e não posso falar de todos os pormenores porque é uma coisa que ainda estamos a tentar perceber, mas vou dar-vos uma ideia de uma das coisas que estamos a tentar fazer.
This is a picture of one of the aquarium systems we have in our lab, and everything in the image is part of the system, and so what we do is we keep -- and you can see in the glass tank there in the bottom, there's a bunch of mussels, we have the water chilled, we have the lights cycled, we actually have turbulence in the system because the animals make more adhesives for us when the water is turbulent. So we induce them to make the adhesive, we collect it, we study it. They're here in Indiana. As far as they know, they're in Maine in February, and they seem to be pretty happy, as far as we can tell.
Isto é uma foto de um dos sistemas de aquários que temos no nosso laboratório e tudo o que está na foto faz parte do sistema. O que fazemos é manter — vemos no fundo do tanque de vidro um grupo de mexilhões, temos a água refrigerada, temos ciclos de iluminação, temos turbulência no sistema porque os animais fabricam mais cola quando a água está turbulenta. Induzimo-los a fabricar a cola, recolhemo-la, estudamo-la. Estão aqui em Indiana. Tanto quanto sabemos, estão no Maine, em fevereiro e parecem estar muito felizes, tanto quanto podemos avaliar.
And then we also work with oysters, and up top, it's a photo of a small reef in South Carolina, and what we're most interested in is seeing how they attach to each other, how they connect. And so what you can see in the bottom image is there's two oysters that are cementing to each other. And we want to know what's in between, and so a lot of times, we'll cut them and look down, and in the next series of images we have here, you can see, on the bottom, we'll have two shells, the shell of one animal and the shell of another animal, and the cement's in between. And if you look at the image on the right, what you can maybe see is that there's structure in the shell of each animal, but then, the cement actually looks different. And so we're using all sorts of fancy biology and chemistry tools to understand what's going on in there, and what we're finding is the structures are different and the chemistry is actually different, and it's quite interesting.
Também trabalhamos com ostras. Em cima, é uma fotografia dum pequeno recife na Carolina do Sul. Estamos muito interessados em ver como se ligam umas às outras, como se interligam. Podemos ver, na imagem em baixo, duas ostras a colarem-se uma à outra. Queremos saber o que está no meio, por isso, cortamo-las e observamos. Na próxima série de imagens que temos, vemos, em baixo, que temos duas conchas, a concha de um animal e a concha de outro animal e a cola está no meio. Se olharem para a imagem da direita, talvez consigam ver que há uma estrutura na concha de cada animal mas a cola tem um aspeto diferente. Estamos a usar todo o tipo de instrumentos de biologia e química para perceber o que se passa ali. Descobrimos que as estruturas são diferentes e a química é diferente e isso é muito interessante.
And then this picture -- I guess let me step back before I tell you what this is. So do you know the cartoon "The Magic School Bus"? Or if you're a little bit older, "Fantastic Voyage," right? And you remember, they had these characters that they would shrink down to these microscopic levels, and then they would sort of swirl in and swim around and fly around all these biological structures? I think of this as like that, except for it's real, in this case. And so what we did is we have two oysters that are stuck together, and this area used to be completely filled in with the cement, and what we're finding is that the cement has lots of different components in there, but broadly speaking, there are hard, non-sticky parts and there are soft, sticky parts, and what we did is we removed the non-sticky parts selectively to see what's left for what's actually attaching the animals, and what we got is this, and we can see there's this sticky adhesive that's holding them together. And I just think it's a really cool image, because you can imagine yourself flying in and going back there.
Depois, esta imagem — vou voltar atrás, antes de dizer o que isto é. Conhecem os desenhos animados "O Autocarro Mágico?" Ou, se são um pouco mais velhos, "Viagem Fantástica"? Lembram-se de que havia umas personagens que encolhiam a níveis microscópicos e depois andavam num turbilhão e nadavam e voavam em volta daquelas estruturas biológicas? Eu penso nisto do mesmo modo, exceto que, neste caso, é real. Temos duas ostras que estão ligadas e esta área estava totalmente coberta de cola. Descobrimos que a cola tem muitos componentes diferentes, mas, falando em termos gerais, há partes duras, não são pegajosas e há partes macias, pegajosas. Removemos as partes não pegajosas, seletivamente, para vermos o que restava para o que ligava os animais e obtivemos isto, vemos que é uma cola pegajosa que as está a manter unidas. Acho que esta é uma imagem muito gira porque podemos imaginar-nos a voar e a andar por ali.
Anyways, those are some of the things we're doing to understand how marine biology is making these materials. And from a fundamental perspective, it's really exciting to learn. But what we do want to do with this information? Well, there's a lot of technological applications if we can harness what the animals are doing.
Estas são algumas das coisas que estamos a fazer para perceber como a biologia marinha está a fazer estes materiais. Segundo uma perspetiva, é entusiasmante aprender. Mas o que é que queremos fazer com estas informações? Há muitas aplicações tecnológicas se conseguirmos perceber o que os animais estão a fazer.
So let me give you one example. So imagine you're at home and you break your favorite figurine or a mug or something like that? You want to put it back together. So where do you go? You go to my favorite place in town, which is the glue aisle of the hardware store. I know where you spend your nights, because you're all hip, cool people, because you're here, and you're going to the bars and concerts -- this is where I hang out every night. So anyways, so what I want you to do is get one of every adhesive that's on the shelf, bring it home, but before you try to put things back together, I want you to try to do it in a bucket of water. It's not going to work, right? We all know this. So obviously, marine biology has solved this, so what we need to do is figure out ways to be able to copy this ourselves. And one of the issues here is, you can't just go and get the materials from the beach, because if you get a bunch of mussels and try to milk them for their adhesive, you'll get a little bit of material, but you're never going to have enough to do anything with, just enough to see. We need to scale this up, ideally maybe train car scale.
Vou dar-vos um exemplo. Imaginem que estão em casa e partem a vossa estatueta preferida ou uma caneca ou outra coisa qualquer. Querem colar aquilo. Onde é que vão? Vão ao meu local preferido que é o corredor das colas da loja de ferramentas. Eu sei onde vocês passam as noites, porque vocês são modernos, porque estão aqui, vão a bares e a concertos — é o que eu faço todas as noites. O que quero que façam é que tirem da prateleira uma embalagem de todas as colas e as levem para casa. Mas, antes de tentarem colar as coisas, experimentem fazê-lo dentro de um balde com água. Não vão funcionar, pois não? Claro que não. Obviamente, a biologia marinha resolveu o problema. Precisamos, pois, de perceber uma forma de copiarmos isso. Um dos problemas é que não podemos ir buscar os materiais à praia, porque se formos buscar uns quantos mexilhões e tentarmos retirar-lhes a cola ficamos com um pouco de material, mas muito pouco para fazer o que quer que seja, só podemos vê-lo. Precisamos de aumentar a quantidade, idealmente do tamanho dum comboio.
So on the top is an image of one of the types of molecules that the animals are using to make their glue, and what they are is they're very long molecules, they're called proteins, and these proteins happen to have some fairly unique parts in them that bring about the adhesive properties. What we want to do is take those little parts of that chemistry, and we want to put it into other long molecules that we can get but things that we can make on a really large scale, so you might know them as plastics or polymers, and so we're sort of simplifying what they do, but then putting that adhesion chemistry into these large molecules.
Em cima, vemos uma imagem de um dos tipos de moléculas, que os animais estão a usar para fazer a cola. São moléculas muito longas, chamam-se proteínas. Estas proteínas contêm umas partes especiais que produzem as propriedades adesivas. Queremos tirar essas pequenas partes dessa química e queremos pô-las noutras moléculas longas que conseguirmos obter, mas coisas que possamos fazer numa escala muito grande como os plásticos ou os polímeros. Assim, simplificamos o que elas fazem, pondo essa química adesiva nestas grandes moléculas.
And we've developed many different adhesive systems in doing this, and when you make a new adhesive that looks pretty good, what do you do? You start running around the lab, just sticking stuff together. We took a tiny bit of a glue and glued together two pieces of metal and we wanted to hang something from it, so we used a pot of live mussels and thought we were very clever.
Desenvolvemos muitos sistemas adesivos diferentes, fazendo isto e, quando fazemos uma nova cola que parece muito boa, o que é que fazemos? Começamos a correr pelo laboratório, a colar coisas. Agarrámos num pedacinho de cola e colámos dois pedaços de metal e pendurámos neles uma coisa qualquer. Usámos um balde de mexilhões vivos e pensámos que éramos muito espertos.
(Laughs)
(Risos)
We're obviously much more quantitative about this most often, and so we benchmark against commercial adhesives, and we actually have some materials now that are stronger than superglue. So to me, that's really cool. That's a good day in the lab. It's stronger than superglue.
Obviamente, somos muito mais quantitativos e comparamo-la com outras colas comerciais. Na verdade, agora temos alguns materiais mais fortes do que a supercola. Para mim, é mesmo fantástico. É um bom dia no laboratório, é mais forte que a supercola.
And here's something else that we can do. So this is a tank of seawater, and then, in that syringe is one of our adhesive formulations, and what we're doing is we're dispensing it completely underwater, on a piece of metal. And then, we want to make an adhesive bond, or joint, and so we take another piece of metal and we put it on there and just position it. And you want to let it set up for a while, give it a chance, so we'll just put a weight on it, nothing fancy. This is a tube with lead shot in it, nothing fancy. And then you let it sit for a while. So this has never seen air. It's completely underwater. And you pick it up. I never know what's going to happen. I'm always very anxious here. Pick it up ... and it's stuck.
Isto é outra coisa que podemos fazer. Isto é um tanque com água do mar. Naquela seringa, está uma das nossas fórmulas adesivas, e estamos a aplicá-la totalmente debaixo de água, num bocado de metal. Depois, queremos fazer uma colagem por isso, agarramos noutro bocado de metal e colocamo-lo aqui, nesta posição. Esperamos um bocado, para dar-lhe uma hipótese, depois colocamos um peso nele, nada de especial. Isto é um tubo com chumbo lá dentro, nada de especial. Esperamos mais um bocado. Isto nunca viu ar, está totalmente debaixo de água. Agora retiramo-lo de lá. Nunca sei o que vai acontecer. Nesta altura, estou sempre nervoso. Retiramo-lo de lá... e está colado.
To me, this is really cool. So we can actually get very strong underwater adhesion. Possibly, it's the strongest or at least one of the strongest underwater adhesives that's ever been seen. It's even stronger than the materials that the animals produce, so for us, it's pretty exciting. It's pretty cool.
Para mim, é mesmo fantástico. Portanto, conseguimos obter uma adesão muito forte, debaixo de água. Possivelmente, é o adesivo debaixo de água mais forte ou, pelo menos, um dos mais fortes que conhecemos. Ainda é mais forte do que os materiais que os animais produzem. Por isso, para nós, é muito animador, é fantástico.
So what do we want to do with these things? Well, here are some products that you're probably really familiar with. So think about your cell phone, your laptop, plywood in most structures, the interior of your car, shoes, phone books, things like this. They're all held together with adhesives, and there's two main problems with the adhesives used in these materials. The first one is that they're toxic. So the worst offender here is plywood. Plywood, or a lot of furniture, or wood laminate in floors -- a main component of the adhesives here is formaldehyde, and it's maybe a compound you've heard of. It's a gas, and it's also a carcinogen, and so we're constructing a lot of structures from these adhesives, and we're also breathing a lot of this carcinogen. So not good, obviously. Right? The other issue is that these adhesives are all permanent. And so what do you do with your shoes or your car or even your laptop at the end of life, when you're done using it? For the most part, they end up in landfills. And there's a lot of precious materials in there we'd love to be able to get out and recycle them. We can't do it so easily because they're all stuck together permanently.
O que é que pretendemos fazer com estas coisas? Estes são alguns produtos que, provavelmente, já conhecem bem. Pensem no vosso telemóvel, no portátil, no contraplacado de muitas estruturas, no interior do vosso carro, nos sapatos, listas telefónicas, coisas dessas. Todas elas estão coladas com colas e há dois problemas principais com as colas usadas nestes materiais. O primeiro é que são tóxicas. O mais preocupante aqui é o contraplacado. O contraplacado, ou muitos dos móveis, ou a madeira laminada no chão — um componente principal da cola aqui é o formaldeído talvez já tenham ouvido falar deste composto, é um gás, e também é cancerígeno. Assim, estamos a construir muitas estruturas com estas colas e também respiramos muito deste cancerígeno. Não é nada bom, pois não? O outro problema é que estas colas são todas permanentes. O que é que fazemos com os sapatos ou com o carro ou com o portátil no fim da vida deles, quando já não os usamos mais? Na maior parte, acabam nos aterros. Há ali muitos materiais preciosos que gostaríamos de recuperar e de reciclar, mas não é fácil fazer isso porque estão todos colados permanentemente.
So here's one approach we're taking to try and solve some of these problems, and what we've done here is we've taken another long molecule that we can actually get from corn, and then into that molecule, we've put some of the adhesion chemistry from the mussels. So because we've got the corn and we've got the mussels, we call this our surf-and-turf polymer. And it sticks. It sticks really well. It's very strong. It's also bio-based. That's nice. But maybe more importantly, here, it's also degradable, and we can degrade it under very mild conditions, with water. And so what we can do is we can set things up and we can bond them strongly when we want, but then we can also take them apart. It's something we're thinking about.
Portanto, esta é uma abordagem para tentar resolver estes problemas. O que fizemos aqui foi arranjar outra molécula longa que podemos obter a partir do milho, e nessa molécula pusemos parte da química de adesão dos mexilhões. Como obtivemos o milho e obtivemos os mexilhões chamamos a isto um polímero "surf -and-turf". E cola, cola mesmo muito bem, é muito forte Também tem uma base biológica. É ótimo. Mas mais importante ainda, também é degradável e podemos degradá-lo em condições muito simples, com água. O que podemos fazer é arranjar as coisas podemos ligá-las fortemente quando quisermos, mas depois também as podemos desligar. É uma coisa em que estamos a pensar.
And here is a place where a lot of us want to be. Well, actually, in this specific case, this is a place we do not want to be, but we'd like to replace this. So sutures, staples, screws: this is how we put you back together if you've had some surgery or an injury. It's just awful. It hurts. In the case of the sutures, look at how much you're making concentrated, mechanical stresses as you pull things together. You're making sites for infection. Poke holes in healthy tissue. It's not so good.
Este é um local onde muitos de nós vamos. Na verdade, neste caso específico, é um local onde não queremos ir, mas gostávamos de substituir estas coisas. As suturas, os agrafos, os parafusos: é assim que consertamos as coisas se fazemos uma cirurgia ou um ferimento. É terrível, dói. No caso das suturas, reparem como se fazem, uma tensão concentrada, mecânica, quando juntamos as coisas. Estamos a criar sítios para infeções, a fazer furos em tecido saudável, não é nada bom.
Or if you need a plate to hold together your bones, look at how much healthy bone you have to drill out just to hold the plate in place. So this is awful. To me, it looks like these were things devised in a medieval torture chamber, but it's our modern surgical joinery. So I'd love it if we could replace systems like these with adhesives. We're working on this, but this is not easy.
Se necessitarmos de uma placa para unir os ossos, é preciso perfurar osso saudável só para manter a placa no seu lugar. É terrível. Para mim, estas coisas parecem concebidas numa câmara de tortura medieval mas é a nossa forma cirúrgica moderna. Eu gostaria de substituir sistemas como estes por colas. Estamos a trabalhar nisso, mas não é fácil.
So think about what you would need for adhesives in these cases. So first of all, you would need an adhesive that is going to set in a wet environment. And if you look at the silly little picture there, it's just to illustrate that our bodies are about 60 percent water, so it's a wet environment. It's also to illustrate that this is why I am a scientist and not an artist. I did not miss my calling at all.
Pensem no que seria preciso para estas colas, nestes casos. Primeiro, precisaríamos de uma cola que se aguente num ambiente húmido. Esta imagem tosca, é só para ilustrar que o nosso corpo é formado por uns 60% de água, portanto, é um ambiente húmido. Também ilustra que é por isso que eu sou um cientista e não um artista. Eu não me enganei na minha vocação.
So then the other requirements you need for a good biomedical adhesive: it needs to bond strongly, of course, and it needs to not be toxic. You don't want to hurt the patients. And getting any two of those requirements in a material is pretty easy. It's been done many times. But getting all three hasn't been done. It's very hard. And if you start talking to surgeons, they get picky -- "Oh, actually I want the adhesive to set on the same time frame as the surgery." Or, "Oh, I want the adhesive to degrade so the patient's tissues can remodel the site."
As outras exigências para uma boa cola biomédica: precisa de colar fortemente, claro, e precisa de não ser tóxica. Não queremos prejudicar os doentes. Obter estas duas exigências num material é bastante fácil, já tem sido feito muitas vezes. Mas obter as três, ainda não foi feito, é muito difícil. Se falarem com cirurgiões, eles são intransigentes: "Eu quero aplicar o adesivo na mesma altura que a cirurgia". ou "Eu quero que o adesivo se degrade "para os tecidos do doente possam refazer-se no local".
So this is really hard. We're working on it. This is just one image we have. So what we're doing is we're getting all sorts of bones and skin and soft and hard tissue, and sometimes we'll whack it with a hammer. Usually, we're cutting it in precise shapes. And then we glue them back together.
Portanto, é muito difícil. Mas estamos a trabalhar nisso. Isto é uma imagem do que temos. Estamos a experimentar todo o tipo de ossos e de pele, de tecido macio e duro e, por vezes, até lhe batemos com um martelo. Habitualmente, cortamo-los em formas precisas. Depois, voltamos a colá-las.
We've got some exciting results, some strong materials, some things that look like they're not toxic, they set wet, but I'm not going to tell you we've solved the wet adhesion problem, because we haven't, but it's certainly in our sights for the future. So that's one place that we'd like to see things go farther down the road. And there are a lot of other places, too, you can imagine we might be better off if we could get more adhesives in there. Even cosmetics. So if you think about people putting on fake nails or eyelash extensions, what do they use? They use very toxic adhesives right now. So it's just ripe for replacement. That's something we'd like to do.
Temos obtido resultados animadores, materiais bastante fortes, coisas que não têm aspeto de tóxicas, aguentam a humidade, mas não vou dizer que resolvemos o problema da adesão em humidade, porque não resolvemos. Mas claro que está à nossa vista para o futuro. Esta é uma área em que gostaríamos de ver as coisas evoluírem mais. E há muitas outras áreas também em que podemos melhorar se conseguirmos obter mais colas. Até na cosmética. Se pensarem nas pessoas que usam unhas falsas ou pestanas postiças, o que é que elas usam? Usam colas muito tóxicas, neste momento. Está na altura de serem substituídas. É uma coisa que gostaríamos de fazer.
And then there are other places too. So think about cars and planes. The lighter you can make them, the more fuel-efficient they're going to be. And so if we can get away from rivets and get away from welding and put more adhesives in there, then we might be better off with our future generation of transportation.
Depois, também há outras áreas. Pensem nos carros e nos aviões. Quanto mais leves eles forem, mais eficientes em energia serão. Por isso, se pudermos abandonar os rebites e as soldaduras e usar mais as colas, eles podem melhorar a futura geração dos transportes.
So for us, this all comes back to the beach. So we look around and we wonder, "How do these sea creatures stick? And what can we do with the technology?" And I would argue that we have really a lot of things we can still learn from biology and from nature.
Tudo isto nos leva de novo à praia. Olhamos à nossa volta e pensamos: "Como é que estas criaturas se colam? "O que é que podemos fazer com esta tecnologia?" Eu argumentaria que temos muitas coisas que ainda podemos aprender com a biologia e com a Natureza.
So what I would like to encourage you all to do in the future is put down your nonrecyclable laptops and cell phones and go out and explore the natural world and then start asking some of your own questions.
O que eu gostaria de vos encorajar a fazerem no futuro é: Ponham de lado os vossos portáteis e telemóveis não recicláveis, saiam a explorar o mundo natural e depois comecem a fazer algumas perguntas.
Thanks very much.
Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)