از نیش عقرب تا خار کاکتوس؛ چرا تکامل هرگز سلاحی کامل برای موجودات زنده نساخته است؟
مطالعه 140 نوع ابزار نافذ در طبیعت، از نیش مار گرفته تا خارهای کاکتوس، نشان می دهد که هیچ یک از این سلاح ها به تنهایی کامل نیستند.
از دندان های سمی مارها گرفته تا خارهای تیز کاکتوس ها، ابزارهای نفوذی را می توان در سراسر قلمرو حیوانات و گیاهان یافت. این ابزارها در شکل ها و اندازه های مختلف وجود دارند و نیروی جاذبه باعث تنوع در طراحی آنها شده است. اما چرا با وجود این همه تنوع، طبیعت هرگز سلاح کاملی برای هیچ گونه ای خلق نکرده است؟
در یک مطالعه جامع، محققان دانشگاه ایلینوی در Urbana-Champaign، 140 نوع مختلف از این ابزار را که اساسا برای نفوذ به موجودات دیگر طراحی شده اند، بررسی کردند. فیلیپ اندرسون، نویسنده اصلی این مطالعه و استاد زیستشناسی، میگوید: “تنوع بسیار زیادی از ابزارهای نفوذ در طبیعت وجود دارد.”
در حالی که واضح است که تنوع سلاح تحت تأثیر عواملی مانند فیزیولوژی، فشارهای محیطی و هدف قرار می گیرد، دانشمندان یک اشتراک جالب را شناسایی کرده اند که عمیقاً با تکامل مرتبط است. اندرسون و تیمش دریافتند که ابزارهای نفوذ با یک مبادله اساسی بین راندمان نفوذ و استحکام لازم برای جلوگیری از خم شدن یا شکستن آنها شکل می گیرند.
اندرسون تأکید می کند: «دانشمندان به دنبال قوانین فیزیکی زیربنایی هستند که همه این تنوع باید از آنها پیروی کند. ما میخواستیم ببینیم آیا قوانین فیزیک بیشتر از چیزی که فکر میکنیم نیروی محرکهای در پشت طرحهای طبیعت هستند یا خیر.
برای درک بهتر دلیل چنین تنوعی در ابزارهای نفوذ، محققان ویژگیهای اصلی این زائدهها را مدلسازی کردند. اندرسون توضیح می دهد: «ما فقط دو ویژگی ساده را اندازه گیری کردیم. اول، مخروطی کردن: اگر از کنار به یک ابزار نافذ نگاه کنید، آیا به شکل یک مثلث پهن (مانند دندان کوسه) است یا مانند یک مثلث باریک و کشیده (مثل دندان مار)؟ دوم، شکل مقطع آن: اگر از بالا به آن نگاه کنید، آیا گرد (مثل عاج فیل) است یا صاف و پهن (مثل ستون فقرات توتیای دریایی)؟»
دانشمندان الگوی جالبی پیدا کردند: هر ابزار نفوذ نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارد و به نظر می رسد طراحی آن نتیجه تعادل ظریف بین کارایی و ساختار بیولوژیکی باشد. در نهایت، آنچه در پشت همه این طرح ها نهفته است، قوانین فیزیک است.
ابزارهایی با سطح مقطع گرد برای ایجاد زخم های عمیق و گسترده و آسیب های داخلی بهترین کار را دارند. اما ابزارهایی که سطح مقطع آنها باریک و مسطح است (مانند تیغه) راحت تر به عمق نفوذ می کنند، زیرا بافت را کمتر پاره می کنند و فقط یک برش نازک و خطی ایجاد می کنند. اندرسون توضیح میدهد: «هرچه ابزار نفوذ نازکتر و صافتر باشد، نفوذ به بافت آسانتر است، زیرا بافت را کمتر پاره میکند. در نتیجه، یک برش نازک و خطی به جای زخم پهن و گرد ایجاد می شود.
ابزارهای نفوذ نرم تر، با وجود بازده نفوذ بالاتر، به طور قابل توجهی در برابر شکستگی یا کمانش (خم شدن ناگهانی) آسیب پذیرتر هستند. این یک نقطه ضعف بزرگ است، زیرا گیاه یا حیوانی که انرژی زیادی برای رشد این ابزار صرف کرده است، نمی خواهد آن را به راحتی از دست بدهد.
به گزارش وب سایت Refractor، محققان توانایی هر ابزار برای مقاومت در برابر این نوع کمانش یا شکستن را محاسبه کردند و دریافتند که هیچ یک از طرح های عجیب و غریب طبیعت تصادفی نیستند. در عوض، به نظر می رسد طبیعت با دقت نقطه تعادل را پیدا می کند که در آن شکل و عملکرد ابزار هر دو به طور بهینه مطابقت داشته باشند.
محققان با استفاده از شبیهسازیهای رایانهای، عملکرد نفوذ ۲۵ مخروط را که از نظر شکل مخروطی و مقطعی متفاوت بودند، تجزیه و تحلیل کردند تا انواع ابزارهای نفوذی دیدهشده در ۱۴۰ نمونه را بازسازی کنند. برای هر مخروط، دانشمندان انرژی مورد نیاز برای “ایجاد شکاف اولیه و استقرار کامل ابزار” را محاسبه کردند.
نکته اصلی این بود که هیچ ابزاری وجود ندارد که هم استحکام کامل و هم بهترین قدرت نفوذ را داشته باشد. هر یک از این طرح ها نشان دهنده یک مصالحه است. یعنی برای رسیدن به یک ویژگی باید ویژگی دیگر را نادیده گرفت.
اندرسون توضیح میدهد: «برخی ابزارها در هر دو زمینه عملکرد مناسبی دارند. هر دو به اندازه کافی قوی هستند و نفوذ خوبی دارند. اما اگر بخواهید آنها را قوی تر کنید، قدرت نفوذ آنها کاهش می یابد و اگر قدرت نفوذ آنها را افزایش دهید، شکننده تر می شوند. به همین دلیل، طبیعت همیشه به دنبال نقطه تعادلی است که هر دو ویژگی در بهترین حالت خود باشند.»
یافته ها اصل تخصیص را تداعی می کنند. بر اساس این اصل، هر موجود زنده ای، از انسان گرفته تا کوچکترین حیوانات، انرژی محدودی دارد و باید این انرژی را بین کارهای مختلف مانند رشد، تولید مثل و دفاع شخصی تقسیم کند. اندرسون در این باره توضیح می دهد: پستاندار تمایلی به شکستن دندان های خود ندارد، زیرا در تمام عمرش فقط دو دندان دارد؛ یکی دندان شیری و دیگری دندان دائمی و به همین دلیل از نظر تکاملی، حفظ سلامت دندان ها مهم تر از قدرت نفوذ آن ها است، زیرا شکستن دندان، بقای حیوان را به خطر می اندازد.
به گفته محققان، این قانون در مورد همه موجوداتی که دارای خار، نیش یا دندان هستند، صدق می کند. اگرچه این ابزارها از نظر شکل و اندازه کاملاً متفاوت هستند، اما همه آنها از یک اصل پیروی می کنند.
محققان در مدل سازی خود ابزارهایی را یافتند که فراتر از انتظار عمل می کردند و در استحکام و نفوذ امتیاز بالایی کسب کردند. این ابزارها شامل نیش عقرب، نیش شاه مار کبری، خار گل سرخ، دندان کوسه، پنجه دم قرمز، آرواره مورچه ارتشی و تیر عشق حلزون زمینی بود
ساختاری که به نام تیر عشق در حلزون های خشکی از کربنات کلسیم ساخته شده است و درست قبل از جفت گیری به بدن حلزون مقابل شلیک می شود. خود تیر این حاوی اسپرم نیست، اما با مواد شیمیایی پوشیده شده است که سیستم تولید مثل حلزون هدف را دستکاری می کند تا شانس لقاح توسط اسپرم شلیک را افزایش دهد. این برای حلزون هدف هزینه دارد (کاهش تخم ریزی و طول عمر)، اما شانس پدر شدن تیرانداز را دو برابر می کند.
از سوی دیگر، بهترین ابزارهای نفوذ مانند خارهای کاکتوس نیز آسیب پذیرترین ابزارها در برابر شکستگی هستند. اما این یک معامله منطقی است. یک کاکتوس صدها خار دارد و می تواند در دفاع از خود تعدادی از آنها را از دست بدهد. در حالی که نیش گوشتخوار منبعی گرانبها و محدود است و باید برای مدت طولانی سالم بماند، حتی اگر قدرت نفوذ کمتری داشته باشد.
یکی از جالب ترین کاربردهای تحقیق در زمینه مدل سازی طبیعت است. در این رویکرد مهندسان سعی می کنند با نگاه به طرح های طبیعی ابزار کارآمدتری برای استفاده انسان ایجاد کنند. اندرسون نتیجه می گیرد: “به جای تقلید ساده از یک گونه خاص، مطالعه روند کلی و تنوع در ابزارهای تهاجمی طبیعی یک رویکرد موثرتر برای الهام است.” این دیدگاه جامعتر میتواند منجر به طراحی ابزارهایی با کارایی بالاتر و مقاومت بیشتر برای کاربردهای انسانی شود.»
این تحقیق در مجله Science Advances منتشر شده است.
منبع: زومیت
