مار علیه گرانش؛ خزندگان بی‌ دست‌ و پا چگونه استاد حفظ تعادل شده‌اند؟

حین حرکت مار پیتون از شاخه‌ای به شاخه‌ی دیگر درخت، مشاهده می‌شود که به‌راحتی می‌تواند خود را بالا بکشد و روی جایگاه بالاتری قرار گیرد. این توانایی بی‌نظیر، پرسشی اساسی را مطرح می‌کند: چگونه مار بدون داشتن دست یا پا قادر است تعادلش را حفظ و از سقوط خود جلوگیری کند؟

کد خبر: ۹۱۵۸۱۲

تاریخ: ۱۲ فروردين ۱۴۰۵ - ۱۶:۱۹

زومیت: حین حرکت مار پیتون از شاخه‌ای به شاخه‌ی دیگر درخت، مشاهده می‌شود که به‌راحتی می‌تواند خود را بالا بکشد و روی جایگاه بالاتری قرار گیرد. این توانایی بی‌نظیر، پرسشی اساسی را مطرح می‌کند: چگونه مار بدون داشتن دست یا پا قادر است تعادلش را حفظ و از سقوط خود جلوگیری کند؟

مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد مارها برای ایستادن نیازی به سفت کردن کل بدن خود ندارند و با متمرکز کردن فعالیت عضلانی و انرژی خمشی در ناحیه‌ای کوچک در قسمت پایه بدن، تعادل خود را حفظ می‌کنند. براین‌اساس، ترکیب این استراتژی با هماهنگی عضلات سراسر بدن، به مارها امکان می‌دهد تا با صرف کمترین انرژی ممکن ایستاده باقی بمانند.

دیوید هو، مهندس زیستی در دانشگاه فناوری جورجیا در آتلانتا که در مطالعه شرکت نداشته است، می‌گوید مار‌ها نوعی طناب عضلانی هستند. و اساساً می‌توانند تردستی‌های جادویی انجام دهند، بدن خود را خم و از افتادن خودشان جلوگیری کنند.

تحقیقات پیشین نشان داده بود مار‌هایی که قادر به ایستادن هستند، هنگام حرکت به سمت بالا، عضلاتی را در امتداد ستون فقرات خود فعال می‌کنند. این عضلات، که در طول بدن مار قرار دارند، نقش حیاتی در ایجاد نیروی مورد نیاز برای بلندشدن و حفظ تعادل ایفا می‌کنند. مطالعه‌ی حاضر، با هدف بررسی چگونگی مدیریت این فرایند توسط مارها بدون خم شدن یا واژگونی زیر وزن خود انجام شده است.

به گزارش ساینس‌نیوز، تیم تحقیقاتی ویدئوهایی از چهار مار شامل سه مار درخت قهوه‌ای (Boiga irregularis) و مار پیتون ارغوانی (Simalia amesthistina) ضبط کرد که در حال عبور عمودی از شکاف‌های بین جایگاه‌ها در محیط آزمایشگاهی بودند.

مارها هنگام بالا رفتن از شاخه‌ها، تعادل خود را با متمرکز کردن فعالیت عضلانی در ناحیه‌ی پایه بدن حفظ می‌کنند و نیازی به سفت کردن کل بدن ندارند

بررسی فیلم‌ها نشان داد مارها به‌طور پیوسته بدن خود را به شکل حرف S تغییر می‌دهند؛ به‌ویژه زمانی که فاصله بین جایگاه‌ها بیشتر بود. در نزدیکی تکیه‌گاه، خمیدگی بدن افزایش می‌یافت و بخش بالایی تنه تقریباً به‌صورت عمودی قرار می‌گرفت؛ به گونه‌ای که شیب بسیار کمی داشت و نیروی گرانش اهرم کافی برای واژگونی آن‌ها ایجاد نمی‌کرد.

فیزیکدانان به منظور بررسی دقیق‌تر نیروهای دخیل در ایستادن مارها، بدن آن‌ها را به‌صورت یک رشته‌ی کشسان فعال مدل‌سازی کردند؛ ساختار نرمی که می‌تواند شکل خود را حس کند و با فعال‌کردن عضلاتش به آن واکنش نشان دهد. در این مدل‌سازی فرض شد که مارها می‌توانند با استفاده از عضلات خود، انحنای بدنشان را کنترل کنند.

دو استراتژی برای ایستادن مورد بررسی قرار گرفت: اول، هر بخش از بدن به‌طور مستقل تعادل خود را حفظ می‌کرد و هماهنگی بین بخش‌های مختلف وجود نداشت. در استراتژی دیگر، فعالیت عضلانی در سراسر بدن هماهنگ بود تا انرژی مورد نیاز برای ایستادن به حداقل برسد؛ بااین‌حال، تمرکز اصلی همچنان بر ناحیه‌ی پایه بدن قرار داشت.

هر دو مدل‌سازی ریاضی، شکل S بدن مار را با بیشترین خمیدگی در نزدیکی تکیه‌گاه بازتولید کردند. بااین‌حال، استراتژی مبتنی بر هماهنگی کلیه عضلات بدن، به نیروی کمتری نیاز داشت و نیروی خمشی نیز با افزایش ارتفاع مار کاهش می‌یافت. این یافته‌ها نشان می‌دهد که هماهنگی فعالیت عضلانی در سراسر بدن می‌تواند به مارها کمک کند تا با صرف انرژی کمتری ایستاده باقی بمانند. با توجه به اینکه این رویکرد هم نیرو و هم انرژی را به حداقل می‌رساند، محققان فکر می‌کنند که مارها نیز از استراتژی مشابهی برای ایستادن کارآمدتر استفاده می‌کنند.

نتایج مدل‌سازی ریاضی نشان می‌دهد که مارها اگرچه نیروی نسبتاً کمی برای اتخاذ حالت ایستاده صرف می‌کنند، انرژی قابل توجهی را برای حفظ این وضعیت اختصاص می‌دهند. بررسی فیلم‌ها نشان می‌دهد مار‌هایی که طول بیشتری دارند، اندکی به دو سمت تکان می‌خورند؛ این موضوع نشان‌دهنده‌ی فعالیت مداوم عضلات آن‌ها برای حفظ تعادل است. این تکان‌های جانبی گواهی بر تلاش مستمر مارها برای مقابله با نیروی گرانش و تثبیت موقعیت عمودی بدنشان است.

یافته‌های مطالعه می‌تواند الهام‌بخش طراحی ربات‌های شبیه مار باشد که قابلیت استفاده در زمینه‌های مختلفی نظیر اکتشافات فضایی و دریایی و همچنین بررسی مناطق آسیب‌دیده از فاجعه را داشته باشند.

لودویگ هافمن، ریاضی‌دان کاربردی دانشگاه هاروارد و یکی از نویسندگان مطالعه، بیان می‌کند: «بررسی این موضوع جالب است که آیا می‌توان از این ایده‌های کنترل و بازخورد برای ساخت ربات‌هایی با قابلیت کنترل آسان‌تر و مصرف انرژی کمتر در دستیابی به شکل‌های مورد نظر استفاده کرد یا خیر.»