تکامل؛ چرا سلاح‌های طبیعی موجودات زنده هرگز کامل نیستند؟

کد خبر: ۹۳۱۵۰۷ تاریخ انتشار: ۰۳ : ۱۷ – ۳۰ تیر ۱۴۰۵

خواندنی ها >> خواندنی ها

مطالعه‌ای بر روی ۱۴۰ نوع ابزار نفوذی در طبیعت، از دندان‌های نیش مارها تا خارهای کاکتوس، نشان می‌دهد که هیچ‌یک از این سلاح‌ها به تنهایی کامل نیستند. به گزارش انتخاب، زومیت: این تحقیق به بررسی ابزارهای نفوذی در دنیای حیوانات و گیاهان پرداخته و نشان می‌دهد که این ابزارها در اشکال و اندازه‌های مختلف وجود دارند و تنوع طراحی آن‌ها ناشی از نیروی جذاب است. اما سوال این است که چرا با وجود این تنوع، طبیعت هیچ‌گاه سلاح کاملی برای هیچ گونه‌ای نساخته است؟

در این مطالعه جامع، پژوهشگران دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین ۱۴۰ نوع مختلف از ابزارهای نفوذی که به طور خاص برای نفوذ به موجودات دیگر طراحی شده‌اند را بررسی کردند. فیلیپ اندرسون، نویسنده اصلی این مطالعه و استاد زیست‌شناسی، در این باره می‌گوید: «تنوع عظیمی از ابزارهای نفوذی در طبیعت وجود دارد. این ابزارها در سراسر درخت حیات، شامل گیاهان، جانوران، قارچ‌ها، باکتری‌ها و حتی ویروس‌ها، به وفور یافت می‌شوند.»

در حالی که تنوع سلاح‌ها تحت تأثیر عواملی مانند فیزیولوژی و فشارهای محیطی قرار دارد، دانشمندان به وجه اشتراک جالب توجهی پی بردند که به فرگشت مرتبط است. اندرسون و تیمش دریافتند که ابزارهای نفوذی تحت تأثیر یک مبادله اساسی بین کارایی نفوذ و استحکام برای جلوگیری از خم شدن یا شکستن آن‌ها شکل می‌گیرند. اندرسون تأکید می‌کند: «دانشمندان به دنبال یافتن قوانین فیزیکی زیربنایی هستند که همه این تنوع باید از آن تبعیت کند. ما می‌خواستیم ببینیم که آیا قوانین فیزیک، بیش از آنچه تصور می‌کنیم، نیروی محرکه اصلی طراحی‌های طبیعت هستند یا خیر.»

برای درک بهتر دلیل وجود چنین تنوعی در ابزارهای نفوذی، پژوهشگران ویژگی‌های اصلی این زائده‌ها را مدل‌سازی کردند. اندرسون توضیح می‌دهد: «ما فقط دو ویژگی ساده را اندازه‌گیری کردیم. اول، باریک‌شدگی: اگر از کنار به یک ابزار نفوذی نگاه کنید، آیا شکل آن مثل مثلث پهن است (مثل دندان کوسه) یا مثل مثلث باریک و کشیده (مثل دندان مار)؟ دوم، شکل مقطع آن: آیا 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 خود را دارد و به نظر می‌رسد طراحی آن، نتیجه تعادل ظریف بین کارایی و ساختار زیستی است. در نهایت، آنچه در پس‌زمینه همه 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، زیرا 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، با وجود کارایی بالاتر در نفوذ، به طور قابل‌توجهی در برابر شکستگی یا کمانش آسیب‌پذیرتر هستند. این نقطه ضعف 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 انتخاب، 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. در واقع، به نظر می‌رسد طبیعت با دقت فراوان، نقطه 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 مشاهده شده 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. نتیجه 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، نشان‌دهنده 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 اندازه 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 نقطه 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 در این باره 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، زیرا شکستن دندان، بقای حیوان را به خطر می‌اندازد.»

به گفته پژوهشگران، این قانون برای همه موجودات دارای خار، نیش یا دندان صدق می‌کند؛ حتی اگر این ابزارها از نظر شکل و اندازه کاملاً متفاوت باشند، همه آن‌ها از یک اصل پیروی می‌کنند. پژوهشگران در مدل‌سازی‌های خود، ابزارهایی را یافتند که عملکردی فراتر از انتظار داشتند و در هر دو زمینه 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 مورچه ارتشی و تیر عشق حلزون خشکی بودند.

ساختار معروف به تیر عشق در حلزون‌های خشکی از کربنات کلسیم ساخته شده 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. در حالی که 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 حوزه الگوبرداری از طبیعت است. در این رویکرد، مهندسان با نگاه به طراحی‌های طبیعی، سعی می‌کنند ابزارهای کارآمدتری برای استفاده انسان خلق کنند. اندرسون در پایان تأکید می‌کند: «به جای رویکرد تقلید صرف از یک گونه خاص، مطالعه 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.»