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.
Aș vrea să mă însoţiţi într-o excursie și aș vrea să mergem cu toții pe plajă, să ne bucurăm de briza sărată a mării, să coborâm aproape de mal, unde veți putea observa că suntem loviți de valuri, fiindu-ne greu să rămânem nemișcați. Dar acum priviți în jos și veți observa că stâncile sunt acoperite de tot felul de creaturi care stau nemișcate fără probleme. Asta arată că dacă vreți să supraviețuiți în acest mediu extrem de solicitant, existența voastră depinde, de fapt, de capacitatea de a produce adeziv.
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.
Permiteți-mi să vă prezint câțiva dintre eroii poveștii noastre, doar câțiva dintre ei. Acestea sunt midii și puteți observa că acoperă stâncile. Au creat adezivi, sunt lipite de stânci și, de asemenea, sunt lipite între ele, se înghesuie într-un grup.
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.
Acesta este un prim plan al unui recif de stridii, iar stridiile sunt uimitoare. Acestea se „cimentează” una de cealaltă și construiesc rețele uriașe de recife. Pot avea kilometri lungime, ajungând la metri adâncime. Au, probabil, o influență crucială asupra sănătății ecosistemului marin de coastă, deoarece filtrează constant apa, fixează nisipul și solul. De fapt, și alte specii trăiesc în acest recif. Gândiți-vă ce se întâmplă când vine furtuna! Dacă furia furtunii se lovește mai întâi de kilometri de recife, coasta din spatele lor va fi protejată. Deci au o influență majoră.
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.
Dacă ați fost pe o plajă stâncoasă aproape oriunde în lume, probabil știți cum arată scoicile. Ceea ce fac aceste animale... și sunt multe altele, acestea fiind doar trei dintre ele... Ele creează adezivi, se lipesc una de cealaltă, se lipesc de stânci și construiesc comunități, iar făcând asta au mai multe șanse de supraviețuire. Astfel, fiecare individ în parte este supus mai puțin turbulențelor și tuturor distrugerilor ce pot apărea în acel mediu. Deci, se înghesuie într-un grup.
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.
De asemenea, sunt mai în siguranță în grup deoarece sunt ferite de prădători. Pentru că dacă un pescăruș, să zicem, vrea să le mănânce, acestuia îi este dificil să o facă dacă ele sunt lipite laolaltă.
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.
Apoi mai ajută în eficientizarea reproducerii. Vă puteți imagina, când domnul și doamna scoică decid: „Bine, este timpul să facem scoicuțe...” Deocamdată, nu vă voi spune cum fac asta... dar când decid că este timpul să o facă, le este mult mai ușor să se reproducă dacă trăiesc laolaltă.
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.
Deci, dorim să înțelegem cum fac asta, cum se lipesc și nu vă pot da toate detaliile pentru că încă încercăm să ne dăm seama. Permiteți-mi să vă dau un indiciu despre ceea ce încercăm să facem.
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.
Aceasta e o fotografie a unui sistem de acvarii din laboratorul nostru, iar tot ceea ce vedeți face parte din acest sistem. Aici ținem... și puteți vedea niște midii pe fundul acvariului din sticlă. Răcim apa, menținem ciclul de lumină, avem chiar și turbulențe în sistem deoarece animalele ne produc mai mult adeziv când apa este agitată. Deci, le facem să producă adeziv, îl colectăm, îl studiem. Sunt aici în Indiana. Ele au impresia că sunt în Maine, în februarie, și par destul de fericite, după câte ne putem da seama.
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.
Lucrăm și cu stridiile, iar fotografia de sus reprezintă un mic recif din Carolina de Sud. Suntem foarte interesați de modul în care se atașează una de cealaltă, cum se conectează. În imaginea de jos puteți vedea două stridii care se „cimentează” una de cealaltă. Și dorim să știm ce se află între ele. Astfel, de multe ori le tăiem și le studiem. În următoarea serie de imagini de aici puteți vedea, în imaginea de jos, două cochilii: cochilia unui animal și cochilia celuilalt, iar cimentul este între ele. Dacă vă uitați la imaginea din dreapta, puteți vedea structura cochiliei fiecărui animal, iar cimentul arată diferit. Folosim tot felul de ustensile sofisticate din biologie și chimie pentru a înțelege ce se întâmplă și aflăm că structurile sunt diferite și chimia este diferită, ceea ce este foarte interesant.
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.
Iar această fotografie... Dați-mi voie să revin înainte de a vă spune ce este! Știți desenele animate „Autobuzul Magic”? Sau dacă sunteți mai în vârstă, „Călătorie fantastică”, nu-i așa? Vă amintiți că aveau niște personaje care se micșorau la nivel microscopic și apoi se învârteau ca un titirez, înotau și zburau prin aceste structuri biologice? Mă gândesc că avem o situație similară, doar că acum este ceva real. Astfel, având două stridii care sunt lipite, această zonă era acoperită complet cu ciment și am observat că cimentul are multe componente, dar, fără a intra în detalii, sunt porțiuni dure, nelipicioase și porțiuni moi, lipicioase, iar noi am îndepărtat în mod selectiv porțiunile nelipicioase pentru a vedea ce rămâne și ce leagă de fapt animalele. Aici putem vedea acest adeziv lipicios care le ține împreună. Cred că este o imagine grozavă pentru că ne putem imagina zburând prin această structură.
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.
Sunt câteva din lucrurile pe care le facem pentru a înțelege cum creează animalele marine aceste materiale. Dintr-o perspectivă fundamentală, este incitant să aflăm. Dar, ce vrem să facem cu această informație? Există multiple aplicații tehnologice dacă reușim să folosim ceea ce fac animalele.
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.
Permiteți-mi să vă dau un exemplu! Imaginați-vă că sunteți acasă și spargeți statueta preferată, o cană sau ceva de genul acesta! Vreți să o reparați. Unde vă duceți? Vă duceți în locul meu preferat din oraș, și anume pe culoarul cu adezivi din magazinul de bricolaj. Știu unde vă petreceți serile, sunteți oameni sofisticați, faini pentru că sunteți aici. Voi mergeți în baruri și la concerte... eu îmi petrec aici fiecare seară. În fine, ceea ce vreau să faceți este să luați toți adezivii disponibili pe raft, să îi luați acasă, dar înainte de a încerca să lipiți bucățile, vreau să încercați asta într-o găleată cu apă. Nu va funcționa, nu-i așa? O știm cu toții. Dar sigur biologia marină a găsit o soluție. De aceea trebuie să găsim metode de a o copia. Una dintre problemele care apar este că nu putem lua, pur și simplu, materialele de pe plajă, deoarece dacă luăm niște midii și încercăm să le scoatem adezivul, vom obține puțin material dar nicidecum destul încât să putem face ceva cu el, încât să putem vedea. Va trebui să ne extindem, ideal, la scara unui vagon de tren.
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.
Deasupra este imaginea uneia dintre moleculele folosite de animale pentru a crea adeziv. Acestea sunt molecule foarte lungi, numite proteine, iar aceste proteine conțin elemente unice care le determină proprietățile adezive. Noi vrem să luăm aceste elemente chimice, să le inserăm în alte molecule lungi pe care le putem crea la scară foarte mare, știute drept materiale plastice sau polimeri. Astfel, simplificăm un pic ceea ce facem inserând și chimia adezivă în aceste molecule mari.
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.
Făcând asta, am creat mai multe sisteme adezive, și arată destul de bine când creezi un adeziv nou. Ce facem atunci? Fugim prin laborator lipind la loc tot ce apucăm. Am luat puțin adeziv, am lipit două bucăți de metal și am vrut să atârnăm ceva, așa că am folosit o oală cu midii și ne-am crezut foarte isteți.
(Laughs)
(Râsete)
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.
Sigur putem face adesea cantități mult mai mari și putem face o comparație cu adezivii comerciali. Iar acum avem materiale mai puternice decât superglue. Eu cred că este grozav. Este o zi bună în laborator. E mai puternic decât superglue.
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.
Și mai putem face ceva: acesta este un bazin cu apă de mare, iar în seringă este o formulă de adeziv pe care îl aplicăm sub apă pe o bucată de metal. Apoi, vrem să creăm o îmbinare, o legătură adezivă. Luăm încă o bucată de metal și o poziționăm acolo. Necesită o perioadă pentru a se întări, așa că punem o greutate peste ea. Doar atât! Acesta este un tub cu plumb în el. Doar atât! Apoi îl lăsăm o perioadă. Nu a avut contact cu aerul. Este complet scufundat sub apă. Și îl ridicăm. Niciodată nu știu ce se va întâmpla. Mereu am emoții. Îl ridicăm... și s-a lipit.
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.
Mi se pare grozav! Deci chiar putem crea o adeziune foarte puternică sub apă. Probabil, este cel mai puternic sau printre cei mai puternici adezivi utilizabili sub apă existenți. Este chiar mai puternic decât adezivii produși de animale, deci pentru noi este foarte incitant. Este grozav!
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.
Ce vrem să facem cu aceste lucruri? Iată niște produse pe care le cunoșteți. Gândiți-vă la telefon, la laptop, la placajul din multe construcții, la interiorul mașinii, la pantofi, la cărțile de telefoane și altele. Toate sunt lipite cu adezivi. Și sunt două probleme principale cu adezivii din aceste materiale. Prima problemă este toxicitatea lor. Cel mai nociv este placajul. Placajul, o mare parte din mobilier sau parchetul laminat... conţin în adezivii folosiți formaldehidă, un compus chimic despre care ați auzit. Este un gaz care este cancerigen. Construim mult cu acești adezivi și inspirăm mult gaz cancerigen. Asta nu-i bine, nu-i așa? A doua problemă este că acești adezivi nu se degradează. Și ce faceți cu pantofii, mașina sau chiar laptopul când au încetat a vă mai fi de folos? Majoritatea ajung la groapa de gunoi. Și există multe materiale prețioase pe care am dori să le reciclăm, dar nu o putem face ușor pentru că sunt lipite strașnic.
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.
Iată cum putem încerca să rezolvăm unele probleme: am luat altă moleculă lungă, ce poate fi obținută din porumb, iar în această moleculă am pus formula chimică adezivă a midiilor. Și pentru că folosim porumbul și midiile, îl numim polimerul „combinat”. Și lipește foarte bine. Este foarte puternic. Și este de natură biologică. Frumos! Dar și mai important este că este degradabil și îl putem degrada ușor, cu apă. Astfel, putem asambla obiecte și le putem lipi bine atunci când vrem, dar le și putem dezasambla. Ne gândim la asta.
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.
La asta ne dorim mulți dintre noi să ajungem. De fapt, în acest caz, nu ne dorim să ajungem la asta, dar ne-ar plăcea să înlocuim asta. Suturi, copci chirurgicale, șuruburi: astfel sunteți vindecați în urma unei operații sau răni. Este groaznic, doare! În cazul suturilor, exercităm atât de mult... stress mecanic concentrat atunci când facem legăturile. Creăm zone propice infecției. Nu e bine să facem găuri în țesut sănătos.
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.
Dacă este nevoie de o placă metalică pentru susținerea oaselor, este necesară găurirea osului sănătos pentru a pune placa metalică. Este groaznic! Toate acestea mi se par născocite într-o cameră de tortură medievală, dar e parcursul chirurgical modern. Așa că mi-ar plăcea să înlocuim asemenea sisteme cu adezivi. Lucrăm la asta, dar nu este ușor.
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.
Gândiți-vă ce fel de adezivi ar fi necesari în aceste cazuri! În primul rând, este necesar un adeziv ce se fixează într-un mediu umed. După cum vedeți, imaginea aceea caraghioasă arată cum trupurile noastre sunt 60% apă, deci, un mediu umed. De asemenea arată de ce sunt om de știință și nu artist. Nu mi-am ratat vocația deloc.
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."
De asemenea, adezivii biomedicali, pentru a fi de calitate, trebuie, bineînțeles, să facă legături puternice și să nu fie toxici. Nu vrem ca pacienții să sufere. Este destul de ușor ca materialul să fie conform cu două dintre cerințe. S-a realizat asta de multe ori, dar nu pentru toate trei. Este foarte dificil. Dacă le spui, chirurgii devin pretențioși. „Ah, de fapt, vreau un adeziv care să se fixeze pe durata operației.” Sau: „Ah, vreau ca adezivul să se degradeze pentru ca țesutul pacientului să poată remodela locul.”
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.
Este foarte dificil. Lucrăm la asta. Această imagine arată cum luăm tot felul de oase și piele, țesut moale și țesut tare pe care, câteodată, le lovim cu ciocanul. De obicei, le tăiem în forme precise, iar apoi le lipim la loc.
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.
Am avut rezultate foarte interesante, materiale puternice, ce nu par să fie toxice, se fixează și ude, dar nu vă voi spune că am rezolvat problema aderenței în mediu umed pentru că nu am făcut-o. Dar, cu siguranță, asta urmărim pentru viitor. Acesta este unul dintre domeniile în care am vrea ca lucrurile să evolueze. Și mai există multe alte domenii care ar fi mult mai avantajate dacă ar putea utiliza mai mulți adezivi. Chiar și cosmetica. Gândiți-vă la persoanele care își pun unghii sau gene false. Ce folosesc? Folosesc adezivi toxici în momentul de față. Deci, a venit timpul să-i înlocuim. Asta ne-ar plăcea să facem.
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.
Și mai sunt și alte domenii. Gândiți-vă la mașini, la avioane. Cu cât sunt mai ușoare, cu atât au un consum de combustibil mai mic. Dacă am scăpa de nituri și sudură, folosind mai mult adeziv, ar putea fi mai bine pentru viitorul mijloacelor de transport.
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.
Pentru toate acestea trebuie să ne întoarcem pe plajă. Ne uităm în jur și ne întrebăm, „Cum se lipesc creaturile acestea? Ce putem face cu această tehnologie?” Aș spune că mai avem foarte multe de învățat din biologie și de la natură.
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.
Aș vrea să vă încurajez ca pe viitor să renunțați la telefoanele și laptopurile nereciclabile și să ieșiți în natură, să explorați, iar apoi să vă puneți propriile întrebări.
Thanks very much.
Vă mulțumesc mult!
(Applause)
(Aplauze)