زومیت: مطالعهای روی ۱۴۰ نوع ابزار نفوذی در طبیعت، از دندانهای نیش مارها تا خارهای کاکتوس، نشان میدهد هیچیک از این سلاحها به تنهایی کامل نیستند.
از دندانهای سمی مارها تا خارهای تیز کاکتوسها، ابزارهای نفوذی را میتوان در سراسر قلمرو حیوانات و گیاهان یافت. این ابزارها در اشکال و اندازههای مختلفی وجود دارند و نیروی جذابی باعث تنوع طراحی آنها شده است. اما چرا با وجود این همه تنوع، طبیعت هرگز سلاح کاملی برای هیچ گونهای نساخته است؟
در مطالعهای جامع پژوهشگران دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین به بررسی ۱۴۰ نوع مختلف از این ابزارها پرداختهاند که اساساً برای نفوذ به موجودات دیگر طراحی شدهاند. فیلیپ اندرسون، نویسندهی اصلی مطالعه و استاد زیستشناسی، دراینباره میگوید: «تنوع عظیمی از ابزارهای نفوذی در طبیعت وجود دارد. این ابزارها در سراسر درخت حیات، از جمله گیاهان، جانوران، قارچها، باکتریها و حتی ویروسها، به وفور یافت میشوند.»
در حالی که بدیهی است که تنوع سلاحها تحت تأثیر عواملی مانند فیزیولوژی، فشارهای محیطی و هدف قرار دارد، دانشمندان به وجه اشتراک جالب توجهی که عمیقاً به فرگشت مرتبط است، پی بردند. اندرسون و تیمش دریافتند که ابزارهای نفوذی توسط یک مبادلهی اساسی بین کارایی نفوذ و استحکام مورد نیاز برای جلوگیری از خم شدن یا شکستن آنها شکل میگیرند.
اندرسون تأکید میکند: «دانشمندان به دنبال یافتن قوانین فیزیکی زیربنایی هستند که همهی این تنوع باید از آن تبعیت کند. میخواستیم ببینیم که آیا قوانین فیزیک، بیش از آنچه تصور میکنیم، نیروی محرکهی اصلی طراحیهای طبیعت هستند یا خیر.»
پژوهشگران برای درک بهتر دلیل وجود چنین تنوعی در ابزارهای نفوذی، ویژگیهای اصلی این زائدهها را مدلسازی کردند. اندرسون توضیح میدهد: «فقط دو ویژگی ساده را اندازه گرفتیم. اول، باریکشدگی: اگر از کنار به یک ابزار نفوذی نگاه کنید، شکلش مثل مثلث پهن است (مثل دندان کوسه) یا مثل مثلث باریک و کشیده (مثل دندان مار)؟ دوم، شکل مقطع آن: اگر از بالا به آن نگاه کنید، گرد است (مثل عاج فیل) یا تخت و پهن (مثل خار خارپشت دریایی)؟»
دانشمندان به الگوی جالبی رسیدند: هر ابزار نفوذی، نقاط قوت و ضعف خاص خودش را دارد و به نظر میرسد طراحیش، نتیجهی تعادل ظریف بین کارایی و ساختار زیستی است. در نهایت، آنچه در پسزمینهی همهی این طراحیها قرار دارد، قوانین فیزیک است.
ابزارهایی که مقطع آنها گرد است، برای ایجاد زخمهای عمیق و پهن و آسیبهای داخلی بهتر عمل میکنند. اما ابزارهایی که مقطع آنها باریک و مسطح است (مثل تیغه)، راحتتر به عمق نفوذ میکنند، چون بافت را کمتر پاره میکنند و فقط برشی نازک و خطی ایجاد میکنند. اندرسون توضیح میدهد: «هرچه ابزار نفوذی باریکتر و تختتر باشد، راحتتر وارد بافت میشود، چون بافت را کمتر پاره میکند. در نتیجه، برشی نازک و خطی ایجاد میشود، نه یک زخم پهن و گرد.»
ابزارهای نفوذی صافتر، علیرغم کارایی بالاتر در نفوذ، به طور قابلتوجهی در برابر شکستگی یا کمانش (خم شدن ناگهانی) آسیبپذیرتر هستند. این نقطهضعف بزرگی محسوب میشود، زیرا گیاه یا حیوانی که انرژی زیادی برای رشد این ابزار صرف کرده، نمیخواهد آن را به راحتی از دست بدهد.
به گزارش وبسایت رفرکتور، پژوهشگران توانایی هر ابزار را در مقاومت در برابر این نوع کمانش یا شکستگی محاسبه کردند و دریافتند که هیچیک از طراحیهای عجیب طبیعت تصادفی نیستند. درعوض، به نظر میرسد طبیعت با دقت فراوان، نقطهی تعادلی را پیدا میکند که در آن شکل ابزار و کارایی آن، هر دو به بهترین شکل ممکن با هم هماهنگ میشوند.
پژوهشگران با استفاده از شبیهسازیهای رایانهای، عملکرد نفوذی ۲۵ مخروط را که از نظر باریکشدگی و شکل مقطع عرضی متفاوت بودند، تحلیل کردند تا تنوع ابزارهای نفوذی دیدهشده در ۱۴۰ نمونه را بازسازی کنند. برای هر مخروط، دانشمندان انرژی مورد نیاز برای «ایجاد شکاف اولیه و قرار گرفتن کامل ابزار» را محاسبه کردند.
نتیجهی نهایی این بود که هیچ ابزاری وجود ندارد که همزمان هم استحکام کامل داشته باشد و هم بهترین قدرت نفوذ را. هر کدام از این طراحیها، نشاندهندهی یک سازشاند؛ یعنی برای رسیدن به یک ویژگی، باید از ویژگی دیگر چشمپوشی کرد.
اندرسون توضیح میدهد: «برخی ابزارها در هر دو زمینه عملکرد قابلقبولی دارند؛ هم به اندازهی کافی محکم هستند و هم نفوذ خوبی دارند. اما اگر بخواهید آنها را محکمتر کنید، قدرت نفوذشان کم میشود و اگر قدرت نفوذشان را بالا ببرید، شکنندهتر میشوند. به همین دلیل، طبیعت همیشه به دنبال نقطهی تعادلی است که در آن هر دو ویژگی در بهترین حالت ممکن قرار گیرند.»
یافتهها، تداعیکننده اصل تخصیص هستند. بر اساس این اصل، هر موجود زندهای، از انسان گرفته تا کوچکترین جانور، انرژی محدودی دارد و باید این انرژی را بین کارهای مختلف مثل رشد، تولیدمثل و دفاع از خود تقسیم کند. اندرسون دراینباره توضیح میدهد: «یک پستاندار نمیخواهد دندانش بشکند، چون در تمام عمر فقط دو بار دندان درمیآورد؛ یکی دندان شیری و دیگری دندان دائمی. به همین دلیل، از نظر تکامل، حفظ سلامت دندانها از قدرت نفوذ آنها مهمتر است، چون شکستن دندان، بقای حیوان را به خطر میاندازد.»
به گفتهی پژوهشگران، این قانون برای همهی موجودات دارای خار، نیش یا دندان صدق میکند؛ حتی اگر این ابزارها از نظر شکل و اندازه کاملاً متفاوت باشند، همهشان از یک اصل پیروی میکنند.
پژوهشگران در مدلسازیهای خود، ابزارهایی را یافتند که عملکردی فراتر از انتظار داشتند و در هر دو زمینهی استحکام و قدرت نفوذ، امتیاز بالایی کسب کردند. این ابزارها شامل نیش عقرب، دندانهای نیش شاه کبرا، خار گل رز، دندان کوسه، چنگالهای باز دمسرخ، آروارههای مورچهی ارتشی و تیر عشق حلزون خشکی بودند.
ساختار معروف به تیر عشق در حلزونهای خشکی از کربنات کلسیم ساخته شده است و درست قبل از جفتگیری به بدن حلزون مقابل شلیک میشود. خود تیر هیچ اسپرمی ندارد، بلکه با مواد شیمیایی پوشیده شده که سیستم تناسلی حلزون هدف را دستکاری میکند تا شانس بارور شدن اسپرمهای شلیککننده را بیشتر کند. این کار برای حلزون هدف هزینه دارد (کاهش تخمگذاری و طول عمر)، اما برای تیرانداز، شانس پدر شدن را تا دو برابر افزایش میدهد.
حیوان گوشتخوار تعداد محدودی دندان نیش دارد و نمیتواند آنها را از دست بدهد
در طرف مقابل، بهترین ابزارها برای نفوذ، مثل خارهای کاکتوس، در عین حال آسیبپذیرترین آنها در برابر شکستن هم هستند. اما این مبادلهای منطقی است. کاکتوس صدها خار دارد و میتواند چند تا از آنها را در دفاع از خود از دست بدهد. درحالیکه دندانهای نیش حیوان گوشتخوار، سرمایهای گرانبها و محدود است و باید برای مدت طولانی سالم بماند، حتی اگر قدرت نفوذ کمتری داشته باشد.
یکی از جالبترین کاربردهای پژوهش، در حوزهی الگوبرداری از طبیعت است. در این رویکرد، مهندسان با نگاه به طراحیهای طبیعی، سعی میکنند ابزارهای کارآمدتری برای استفادهی انسان خلق کنند. اندرسون در پایان تأکید میکند: «به جای رویکرد تقلید صرف از یک گونهی خاص، مطالعهی روندهای کلی و تنوع موجود در ابزارهای نفوذی طبیعی، رویکردی مؤثرتر برای الهامگیری است. این دیدگاه جامعتر میتواند به طراحی ابزارهایی با کارایی بالاتر و مقاومت بیشتر برای کاربردهای انسانی منجر شود.»
