چرا تکامل هرگز سلاحی کامل برای موجودات زنده نساخته است؟
هدف یکسان، روش متفاوت؛ سلاحهای اعطا شده از مادر طبیعت به موجودات، هیچ طراحی یکسانی در بین گونهها ندارند.
از دندانهای نیش سمی مار گرفته تا خارهای تیزی که کاکتوس را میپوشانند، چنین ابزارهای تهاجمی را میتوان در سراسر قلمروی حیوانات یافت. در حالی که آنها در اشکال و اندازههای مختلفی وجود دارند، نیرویی جذاب، طراحیهای متنوع آنها را هدایت میکند.
در یک مطالعه جذاب و جامع که توسط محققان دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین(Illinois at Urbana-Champaign) انجام شد، محققان ۱۴۰ نوع مختلف از این ابزارها را که اساساً به نوعی برای سوراخ کردن موجود زنده دیگری طراحی شدهاند، بررسی کردند.
فیلیپ اندرسون(Philip Anderson) استاد فرگشت(تکامل)، بومشناسی و رفتار و نویسنده اصلی این مطالعه میگوید: تنوع گستردهای از ابزارهای سوراخکننده مانند دندانهای نیش و خار در طبیعت وجود دارد. این ابزار در کل درخت حیات، از جمله گیاهان، حیوانات، قارچها، باکتریها و ویروسها فراگیر است.
اگرچه لازم نیست جانورشناس باشید تا بدانید تنوع سلاحها تحت تأثیر عواملی مانند فیزیولوژی، فشارهای محیطی و هدف است، اما دانشمندان به یک وجه اشتراک نسبتاً جالب توجه دست یافتند که عمیقاً با فرگشت(تکامل) گره خورده است.
اندرسون بیش از دو دهه قوانین فیزیک و بیومکانیک در فرگشت را مطالعه کرده است و تیمش از طریق کار خود دریافتند که ابزارهای سوراخکننده بر اساس یک بدهبستان اساسی بین کارایی سوراخ کردن و قدرت مورد نیاز برای جلوگیری از خم شدن یا شکستن آنها شکل میگیرند.
اندرسون میگوید: دانشمندان علاقهمند به یافتن قوانین فیزیکیِ اساسی هستند که همه این تنوع باید به آنها پایبند باشند.
ما فقط باید به داروین نگاه کنیم تا بدانیم که بسیاری از مطالعات زیستشناسی فرگشتی تمایل دارند مورفولوژی را از دریچه عملکرد خاص ببینند. مشاهده فرآیندهای فرگشتی به این روش، اطلاعات مهمی در مورد سازگاری و محیط به ما میدهد، اما محققان این مطالعه علاقهمند بودند ببینند که آیا اصل گستردهتری در مورد نوع دیگری از ویژگی «مشابه اما متفاوت» وجود دارد یا خیر.
همچنین اینکه آیا فیزیک واقعاً نیروی محرکه بیشتری در پشت طراحی طبیعت بوده است یا خیر، بیش از آنچه که ما به آن اعتبار میدهیم.
اندرسون میگوید: وقتی صحبت از زیستشناسی میشود، فکر میکنم باید تنوع آن را بپذیریم. اگر یک قانون جهانی وجود داشت، انتظار داشتم که همه ابزارهای سوراخکاری شبیهتر به یکدیگر باشند، اما اینطور نیست. تنوع زیادی در نحوه عملکرد این ابزارهای سوراخکاری وجود دارد.
محققان در تلاش برای درک بیشتر از اینکه چرا چنین تنوعی از ابزارهای سوراخکاری در سراسر قلمرو گیاهان و حیوانات وجود دارد، ویژگیهای اصلی این زائدههای سوراخکننده را مدلسازی کردند.
اندرسون میگوید: ما دو اندازهگیری بسیار اساسی انجام دادیم که یکی از آنها میزان مخروطی بودن این ابزارها است. اگر از پهلو به یک ابزار سوراخکننده نگاه کنید، آیا یک مثلث بزرگ و پهن مانند دندان کوسه است؟ یا یک مثلث نازک و کشیده مانند نیش است؟ سپس به سطح مقطع آن نیز نگاه کردیم. آیا گردتر است، مانند عاج فیل یا مانند خار سفرهماهی صاف است؟
دانشمندان از طریق این ارزیابی، الگویی را مشاهده کردند که اینگونه پدیدار شد؛ به نظر میرسید هر ابزار مزایا و معایب خود را دارد و عملکرد را با زیستشناسی به طور ظریفی متعادل میکند و زیربنای آن نیز فیزیک است.
این مطالعه خاطرنشان کرد که ابزارهای سوراخکاری گردتر، وقتی به عنوان یک مقطع عرضی در نظر گرفته میشوند، برای ایجاد شکستگی، مؤثرتر به نظر میرسند، در حالی که ابزارهای سوراخکاری مسطحتر در نفوذ به مواد در سطح عمیقتر بهتر به نظر میرسند، زیرا جابجایی کمتری در کار است.
اندرسون گفت: این ابزار هرچه مسطحتر باشد، زمان راحتتری برای نفوذ خود دارد، زیرا باید مواد را کمتر از هم جدا کند. ایجاد یک زخم بسیار نازک را در مقابل یک زخم پهن و دایرهای تصور کنید.
اما اینجاست که مصالحه وارد عمل میشود. همانطور که محققان توضیح میدهند، ابزارهای سوراخکاری مسطحتر پتانسیل آسیبپذیرتر بودن در برابر شکستگی یا خمیدگی را دارند که برای گیاه یا حیوانی که در وهله اول مقدار قابل توجهی انرژی برای رشد چیزها سرمایهگذاری کرده است، ایدهآل نیست.
به همین دلیل، محققان توانایی هر ابزار را برای مقاومت در برابر این نوع خمیدگی یا شکستگی محاسبه کردند و چیزی که آنها کشف کردند این بود که چگونه هیچ یک از طرحهای عجیب طبیعت تصادفی نیستند. در عوض، به نظر میرسد دقتی خاص وجود دارد که جایی که شکل و عملکرد به هم میرسند را پیدا میکند.
محققان با استفاده از شبیهسازیها، عملکرد سوراخکاری ۲۵ مخروط که از نظر شکل مخروطی و سطح مقطع متفاوت بودند را تجزیه و تحلیل کرد تا تنوع ابزارهای سوراخکاری مشاهده شده در ۱۴۰ نمونه مورد بررسی را مدلسازی کند.
اندرسون توضیح میدهد که دانشمندان برای هر مخروط، انرژی لازم برای ایجاد شکستگی و فرو کردن خود ابزار را محاسبه کردند.
آنها دریافتند که هیچ مدل کاملی وجود ندارد که قدرت و شدت سوراخکاری را در یک بسته واحد داشته باشد.
اندرسون میگوید: ما میتوانیم یک عملکرد ترکیبی را ببینیم، جایی که شاید ابزاری داشته باشید که به طور مناسبی در برابر کمانش مقاوم باشد و همچنین کار سوراخکاری را به خوبی انجام دهد، اما اگر سعی کنید آن را در مقاومت در برابر کمانش بهتر کنید، عملکرد سوراخکاری را از دست میدهید و برعکس.
وی افزود: بنابراین شما تقریباً به دنبال یک نقطه میانی هستید که در آن هر دو نوع عملکرد تا حد امکان بهینه شده باشند.
اندرسون ادامه داد: با اینکه رشته من جانورشناسی است، به دلایلی این موضوع مرا به یاد بازیهای ویدیویی اتومبیلرانی میاندازد که دههها پیش بازی میکردم. شما میتوانستید یک ماشین سریع و سبک را انتخاب کنید که در پیچها کمی فرمانپذیری ضعیفی داشت، یا یک وسیله نقلیه کندتر که نمیتوانست به یک دونده سرعت برسد، اما در مسیرهای پر پیچ و خم به خوبی کنترل میشد.
وی افزود: در حالی که میدانم با توجه به تخصص من این مقایسه عجیبی است، اما این یک راه ساده برای توضیح این است که چگونه هر موجود زنده از جمله انسان دارای یک بودجه انرژی محدود است و این باید بین عملکردهای اساسی رقیب، از رشد و تولید مثل گرفته تا دفاع، توزیع شود. این بیشتر به عنوان اصل تخصیص شناخته میشود.
محققان کشف کردند که این اصل چیزی است که حیوانات و گیاهان با ابزارهای سوراخکننده برخلاف اینکه این ابزارها از نظر مورفولوژیکی چقدر ممکن است متفاوت باشند، در آن مشترک هستند.
با این حال، دانشمندان از طریق مدلسازی خود، ابزارهایی را یافتند که ممکن است بیش از وزنشان سوراخ کنند. مخروطهایی که بهترین امتیاز را از نظر قدرت و نفوذ به دست آوردند، شبیه به نیش عقرب، نیش شاه کبرا، خار گل رز، دندان کوسه، چنگال شاهین دُمقرمز، آرواره مورچه ارتشی و تیر عشق حلزون خاکی بودند.
در همین حال، بهترین ابزارها برای سوراخ کردن مانند خارهای کاکتوس نیز آسیبپذیرترین ابزارها در برابر کمانش بودند. با این حال، همانطور که دانشمندان خاطرنشان میکنند، این خود یک بدهبستان است، زیرا کاکتوس تعداد زیادی از این خارها را دارد و میتواند در حین دفاع از کل بدن خود، خطر از دست دادن تعدادی از آنها را داشته باشد. با این حال، دندانهای نیش یک گوشتخوار، سرمایهگذاری بالایی هستند و منبعی محدود محسوب میشوند، بنابراین برای تمام طول عمر ساخته شدهاند، اما قدرت سوراخ کردن یکسانی ندارند.
این تفاوتها را میتوان از یک دیدگاه رفتاری بررسی کرد، جایی که یک ابزار کمکارآمدتر اما بادوامتر، اهداف دیگری مانند گرفتن طعمه با خطر کم شکستن دندان در این فرآیند را دنبال میکند. بنابراین یک سوراخ عمیق، معاملهای ارزشمند است.
اندرسون میگوید: یک پستاندار نمیخواهد دندان خود را بشکند، زیرا فقط دو دندان (دندان شیری و دندان بالغ) دارد. بنابراین از نظر فرگشتی مهمتر است. اگر از شکستن آن ابزار جلوگیری کنید، بقای بهتری خواهید داشت.
دانشمندان همچنین هدف از خارهای ماهی را برجسته میکنند که به نظر میرسد ارتباط کمتری با سوراخ کردن گوشت حیوانات دیگر و بیشتر مربوط به یک مکانیسم دفاعی است.
اندرسون میگوید: ممکن است ماهیها نیازی به سوراخ کردن حیوانات دیگر نداشته باشند. شاید آنها فقط خود را برای بلعیده نشدن، خیلی بزرگ میکنند.
این مطالعه میتواند به ویژه در زمینه زیستتقلید مفید باشد، جایی که مهندسی از طبیعت برای طراحی ماشینهای مؤثرتر برای استفاده انسان الهام میگیرد.
اندرسون در پایان گفت: به جای اینکه فقط به یک موجود زنده در یک زمان نگاه کنیم و بگوییم قرار است آن را تقلید کنیم، فکر میکنم متوجه شدهایم که بررسی روندهای کلی، دیدن اینکه طیف وسیعی از ابزارهای سوراخکاری بیولوژیکی چه کاری انجام میدهند و الهام گرفتن از آنها مفیدتر خواهد بود.
این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.
نظر شما