Субекти

Синтетичната биология може да предложи наистина устойчиви подходи към изградената среда, прогнозират Рейчъл Армстронг и Нийл Спилер.

биология

Архитектите отдавна черпят вдъхновение от формите и функциите на природните системи. И все пак биологичните клетки и организми имат изисквания - като хранителни и поддържащи растежа структури, които ограничават използването им в строителството. Синтетичната биология предлага нови начини за комбиниране на предимствата на живите системи със здравината на традиционните материали, за да се получи наистина устойчива и екологично отзивчива архитектура.

В контекста на изменението на климата и урбанизацията съществува належаща необходимост от заместване на строителните методи, които са вредни за нашето местообитание, с устойчиви. Понастоящем архитектурата е отговорна за 40% от въглеродния отпечатък в града, най-вече поради емисиите от изкопаеми горива, изгорени по време на различните етапи на производството на материали и строителството. С нарастването на глобалното население - приблизително 9 милиарда души през 2050 г., 70% от които ще живеят в градовете - въглеродните емисии от застроената околна среда ще се увеличат. Ако продължим да строим със стомана и бетон, дори и най-строгите енергоспестяващи мерки няма да ограничат производството на парникови газове. Дори зелените покриви и стени се нуждаят от енергоемки системи за поддръжка, за да ги поддържат в изкуствена среда.

Ще бъдат необходими стратегии за постигане на „въглеродно отрицателни“ сгради, включително иновативно преоборудване, събиране на енергия, рециклиране на материали и използване на елементи, които взаимодействат и реагират директно на околната среда. Химически активните интерфейси могат да променят микроклимата около повърхностите и да действат като „фармацевтични продукти за околната среда“. Например, покритията могат да абсорбират въглероден диоксид върху строителните повърхности, да адсорбират замърсители или да улавят прахови частици електростатично.

Биологични градивни елементи

Инструментите на синтетичната биология стимулират развитието на нови форми на архитектура, които реагират на промените в околната среда чрез включване на динамичните свойства на живите системи, като растеж, ремонт, чувствителност и възпроизвеждане. Все още на ранен етап възникват разнообразни интердисциплинарни сътрудничества, за да се намерят нови приложения за инженеринг на геном отгоре надолу и химически техники за самосглобяване отдолу нагоре, включително улавяне на въглероден диоксид и производство на енергийно ефективни материали. Предизвикателствата, които трябва да бъдат преодолени, включват поддържането и подкрепата на биологичните системи в рамките на изградената околна среда, биоетични проблеми и осигуряване на обществената безопасност.

Изследователите разработват обещаващи примери за биологични системи, които могат да изпълняват архитектурни функции. Бактерии, често срещани в околната среда - като напр Микрокок, Стафилококи, Бацил и Псевдомонада видове, които също се задържат във въздуха - могат да бъдат пригодени за използване като биосензори. Нов център в Университета на Орегон в Юджийн планира да координира изследванията, които свързват архитектурата и микроорганизмите, както съществуващи, така и проектирани. Университетският център по биология и изградена среда (BioBE), получил финансиране това лято от фондация Алфред П. Слоун в Ню Йорк, ще изследва „микробиома на застроената среда“ - сложните бактериални екосистеми, които се срещат в сградите и тяхното взаимодействие с хората и околната среда. Такива взаимоотношения са важни, например, за поддържане на качеството на въздуха в помещенията.

Видове друга бактерия във въздуха, Бревундимонас, показват обещание като индикатор за замърсители на закрито: някои могат да метаболизират токсини като арсен и биха могли да бъдат генетично модифицирани, за да променят цвета си в присъствието на редица тежки метали. Други видове бактерии могат да се отглеждат декоративно по стени или покриви, за да сигнализират за нивата на вредни замърсители в градовете. Например студенти от университета в Кеймбридж, Великобритания, са проектирали бактерията Ешерихия коли за промяна на нюанса в присъствието на индуктор, система, която може да бъде адаптирана за откриване на тежки метали. Това беше само едно от многото пионерски участия в Международното състезание по синтетична биология (iGEM) за 2009 г. в Масачузетския технологичен институт в Кеймбридж.

Иновативни форми на осветление, които използват биолуминесцентни бактерии, се изследват от микробиолога Саймън Парк от университета в Съри в Гилдфорд, Великобритания. През 2009 г. с художничката Ан Броди демонстрира фотографска кабина, която прави портрети, използвайки ефирната светлина, генерирана от Photobacterium phosphoreum. Светещо коледно дърво, произведено през 2007 г. от биолога Едуард Куинто от Университета на Санто Томас в Манила, с помощта на биолуминесцент Vibrio fischeri бактериите от червата на калмарите, увеличава възможността за използване на светещи дървета за улично осветление.

Биологичните структури могат да вдъхновят изцяло нови строителни методи и материали. Terreform One, интердисциплинарна практика на архитектурен дизайн в Ню Йорк, предвижда отглеждане на кожена кожа за покриване на сгради, наречена „Месна къща“. Чрез трансформиране на свински клетки и използване на широкомащабни триизмерни техники за печат, за да се установи структурната рамка, кожата ще бъде израснала до необходимата форма и размер и след това фиксирана с консерванти. Неговата биоразградима природа би избегнала необходимостта от по-късно разрушаване. Техниката е прекалено скъпа - около 1000 щатски долара за три квадратни сантиметра кожа, но демонстрира алтернативните подходи, предлагани от техниките на синтетичната биология.

Най-голямото предизвикателство при прилагането на синтетична биология в архитектурата е да се изработят точни скелета за производството на инженерни тъкани и материали. Естествените форми са трудни за моделиране с компютри, тъй като те не следват прости математически функции и затова превеждането им от клетъчния в архитектурния мащаб е трудно. Норвежката компания Uformia, базирана близо до Tromsø, разработва софтуер, който ще позволи неправилни органични форми - като материали, имитиращи порестата матрица на костта, която съчетава висока якост на опън с ниска плътност - да бъдат моделирани цифрово за печат в три измерения.

Извеждането на биологични култури от лабораторията в града поражда други практически трудности. Ценни бактериални популации, като тези, които фиксират въглероден диоксид във влажните зони, биха били трудни за поддържане в сухи градски райони без източници на храна. Изложени на хищни организми като плесени, биологичните материали трябва да бъдат защитени с противогъбични субстрати. А опасенията за безопасността изключват пускането на нови генетично модифицирани организми в околната среда без строг контрол. За архитектурни цели се предпочитат прости и безопасни биотехнологии. Алтернативен подход към генетичната модификация е да се произвеждат самосглобяващи се материали, които не са живи, но имитират динамичните черти на организмите и са оптимизирани да функционират в специфичната им среда.

Архитектурният дизайнерски потенциал на частично живи материали се изследва от групата на Анди Адамацки за нетрадиционни изчисления в Университета на Западна Англия в Бристол, Великобритания. Той и екипът му изследват как хибридите от прости организми и роботи - като Phi-Bot, чиято електроника се управлява от мухъл, могат да откриват и реагират на светлина, токсини и метаболити. Поведението на тези интегрирани системи е по-сложно, отколкото може да се координира чрез традиционни изчислителни методи, разширявайки обхвата на приложенията. Молекулите, които се самоорганизират, също могат да генерират еволюиращи модели в структури, които са традиционно инертни, като динамични витражи.

Екологично чувствителни бои и покрития за екстериор на сгради, базирани на принципите на химическото самосглобяване, се разработват в Центъра за основни технологии за живот в Университета на Южна Дания в Одензе. „Протоклетките“, направени от маслени капчици във вода - наречени така заради техните живи свойства - позволяват обмен на разтворими химикали между капките и околния разтвор. Реагирайки на промени в химичната информация във времето, пространството и концентрацията, протоклетките регулират своята вътрешна химия, като „разговарят“ със заобикалящата ги среда.

Като потенциално практическо приложение групата е проектирала протоклетки за улавяне на въглероден диоксид от разтвора и превръщането му в твърда карбонатна форма, подобна на естествено срещащия се варовик или обвивка. Такива слоеве могат да се използват при фиксиране на въглерод или във въглерод-отрицателни архитектури. Техните експерименти досега показват, че материалът, произвеждащ карбонат, може да се натрупва; продължава работата по стабилизиране на тези неправилни черупки със силикати. Системите Protocell също се разработват за изолация и саниране на околната среда.

Групата на химика Лий Кронин от Университета в Глазгоу, Великобритания, преследва друг вид изкуствени неорганични химически клетки или „чел“, които имат потенциални архитектурни приложения, включително химически и биологични сензори за откриване на въглероден диоксид и замърсители. Вътрешните химикали на ястията могат да бъдат фино контролирани с помощта на цифрова система за доставка на съставките, което ги прави полезни за технологията на горивните клетки или като системи за доставка на химикали за реагиращи повърхности.

Разпределените, самосглобяващи се системи може един ден да позволят на сградите да растат, да се саморемонтират и да реагират творчески на непредсказуемите ефекти от изменението на климата. Например, сътрудничество между Университета на Южна Дания, Университета в Глазгоу и нашите изследователски групи в Университетския колеж в Лондон и Университета в Гринуич разработва живи облицовки. Задвижвани от гравитационен фураж и химически градиенти, те могат да произвеждат вода в пустинни среди и да събират слънчева светлина за производство на биогорива.

Актуалните екологични проблеми на Венеция се поддават на някои синтетично-биологични решения. Нашата инсталация озаглавена Хилозоева земя, изложен в канадския павилион на биеналето във Венеция 2010 и създаден с архитект Филип Бийсли от Университета на Ватерло в Онтарио, Канада, демонстрира рециклирането на въглероден диоксид, издишан от посетителите, в твърд карбонат, използвайки протоклеточна технология. Подобни находища могат да стабилизират основите на града, като отглеждат изкуствен варовиков риф под него.

Прилагането на синтетична биология в архитектурата обещава решаване на големи екологични проблеми. Необходимо е по-нататъшно сътрудничество между биолози, химици, архитекти и индустрия, за да се разшири гамата от налични инструменти, методи и материали. Както при всяка нова технология, ангажирането с обществеността и с политиците е жизненоважно за насочване на бъдещите регулации, които ще защитят обществената безопасност и ще отговорят на предполагаемите рискове.

Информация за автора

Принадлежности

Рейчъл Армстронг е изследовател в Архитектурното училище Бартлет, Университетски колеж в Лондон, Великобритания. [email protected]

Нийл Спилер е ръководител на Училището по архитектура и строителство в Университета в Гринуич, Лондон, Великобритания.

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar