کاشیکاری طبیعت؛ چرا الگوهای هندسی همیشه در فرایند تکامل حیات تکرار میشوند؟
کاتالوگ جهانی تازهای نشان میدهد موجودات زنده در سراسر درخت حیات از ویروسها و میکروبها گرفته تا گیاهان و جانوران بزرگ، به شکل شگفتآوری از راهحلهای هندسی مشابهی برای ایجاد تعادل میان سختی و انعطافپذیری استفاده میکنند.
یکی از نمونههای چشمگیر این پدیده را میتوان روی بدن عنکبوت آینهای دید. این عنکبوت قادر است خیلی سریع آرایهای از صفحات بسیار ریز و براق را که درست زیر سطح بیرونی شکمش قرار دارند جابهجا کند. نتیجهٔ این جابهجایی، تغییر الگوی درخششهای آینهمانندی است که از شکم آن دیده میشود. این نمایش عجیب در نگاه اول بسیار خاص به نظر میرسد، اما در واقع بر پایهٔ اجزایی ساخته شده که در طبیعت بسیار رایجاند.
همین ساختارهای کاشیمانند یعنی صفحات سختی که با مفصلها یا درزهای نرم به هم وصل شدهاند، در سراسر درخت حیات دیده میشوند؛ از لاک لاکپشتها گرفته تا پوست میوههای گرمسیری. پژوهشگران اکنون ۱۰۰ نمونه از این الگوی مشترک را در جانوران، گیاهان، میکروبها و حتی ویروسها گردآوری کردهاند.
جرقه این پژوهش زمانی زده شد که میسون دین، زیستشناس دانشگاه سیتی هنگکنگ و یکی از نویسندگان مطالعه، درحال بررسی تصاویر توموگرافی رایانهای با وضوح بالا از اسکلت یک سفرهماهی بود. او ابتدا تصور کرد دانهدانه شدن تصویر نقص فنی یا نویز تصویری است، اما با دقت بیشتر متوجه شد این دانهها در واقع موزاییکی منظم از ششضلعیها و پنجضلعیهای بسیار کوچک هستند که لبهبهلبه در سراسر غضروف کنار هم قرار گرفتهاند.
در همین مسیر، یانا سیچیرسکا-هولمز، جانورشناس دانشگاه هومبولت برلین و از دیگر نویسندگان مقاله، شروع به جستوجوی نمونههای مشابه کرد. او هم با شگفتی متوجه شد که روی پوشش بیرونی دانههای ارزن، صفحات پیچیدهای وجود دارد که دقیقاً مانند قطعات یک پازل هندسی در هم قفل شدهاند. این کشفیات باعث شد پژوهشگران به این پرسش برسند که چنین الگوهایی تا چه اندازه در طبیعت فراگیرند.
تمرکز اصلی پژوهش بر چیزی بود که دانشمندان آن را «کاشیکاری واقعی» مینامند. منظور از کاشیکاری، پوشاندن سطح با اشکال هندسی است، بدون آنکه بین آنها فاصله یا همپوشانی وجود داشته باشد. اما در اینجا، پژوهشگران فقط به الگوهای ظاهری یا تزئینی علاقه نداشتند. آنها به دنبال ساختارهایی بودند که در آنها هر «کاشی» یک قطعهٔ واقعی و فیزیکی است و با درزهایی نرمتر از قطعات کناری جدا میشود. به همین دلیل، الگوهایی مانند رنگآمیزی پوست جانوران یا ساختار توخالی لانهٔ زنبورها کنار گذاشته شد.
- آلن تورینگ؛ مشهورترین رمزنگار دنیا راز زیباییهای طبیعت را آشکار کرد15 تیر 98مطالعه '4
- آیا منطقی برای الگوهای پوست جانوران وجود دارد؟06 تیر 03مطالعه '13
- ۷ قانون شگفتانگیز که شکل و اندازه غیرمعمول حیوانات را توضیح میدهند04 شهریور 02مطالعه '6
گروه پژوهشی برای مقایسه این ساختارها در میان موجودات متفاوت، تیم چارچوبی طراحی کرد که توضیح میدهد این کاشیهای طبیعی از چه موادی ساخته شدهاند، چه شکلی دارند، چگونه به هم متصل میشوند و چه وظیفهای را انجام میدهند. نتیجهٔ این بررسیها نشان داد شباهتهای ساختاری قابلتوجهی میان موجودات بسیار دور از هم وجود دارد، حتی در مواردی که هیچ خویشاوندی تکاملی مستقیمی میان آنها دیده نمیشود.
برای مثال، کیتونها (یا گهواره دریایی، نوعی نرمتن دریایی) دارای صفحات زرهای مفصلدار هستند که به آنها اجازه میدهد هم محافظت شوند و هم انعطاف داشته باشند. در سوی دیگر، کوسهها و سفرهماهیها غضروفهایی دارند که بهصورت کاشیکاریشده کنار هم قرار گرفتهاند. این دو ساختار بهطور مستقل و در شاخههای کاملاً جداگانهٔ تکاملی به وجود آمدهاند، اما از نظر هندسی شباهت زیادی به هم دارند. در مقیاسی بسیار کوچکتر، آمیبهای میکروسکوپی هم پوستههای محافظی میسازند که از ذرات معدنی محیط اطرافشان تشکیل شده و همان منطق کاشیکاری را دنبال میکند.
تکرار الگوهای هندسی طبیعت تصادفی نیست و رشد زیستی موجودات را به سمت راهحلهای هندسی کارآمد برای محافظت، حرکت و پوشش سطوح هدایت میکند
نمونههای دیگر این الگو را میتوان در عدسیهای چشم حشرات دید که از واحدهای کوچک و منظم ساخته شدهاند، یا در گیاهی موسوم به «پای فیل» که الگوهای صفحهای و چوبپنبهمانند روی سطح آن شکل میگیرد. در همهٔ این موارد، یک طرح کلی مشترک دیده میشود که به موجود زنده کمک میکند بهتر ببیند، راحتتر حرکت کند یا بدنش را در برابر آسیبها محافظت کند.
به باور پژوهشگران، تکرار این الگوها تصادفی نیست. هندسه و قوانین رشد زیستی، موجودات زنده را بارها و بارها به سوی راهحلهای مشابه سوق میدهد. برای نمونه، الگوهای ششضلعی، مانند آنچه در بدن کوسهها و سفرهماهیها دیده میشود، یکی از کارآمدترین راهها برای پوشاندن سطوح خمیده است؛ موضوعی که در فیزیک و ریاضیات هم بهخوبی شناخته شده است. چنین الگویی اجازه میدهد سطحی بزرگ با کمترین اتلاف فضا پوشانده شود.
میسون دین همچنین توضیح میدهد که مرز میان این کاشیها اغلب با نواحی همراستا است که در آنها سلولهای جدید هنگام رشد اضافه میشوند. به این ترتیب، بافت میتواند در حین بزرگ شدن یا تغییر شکل، عملکرد خود را حفظ کند. از سوی دیگر، ترکیب قطعات سخت با درزهای نرم باعث میشود ساختار نهایی نه بیش از حد سفت باشد و نه بیش از حد شُل. استانیسلاو گورب، جانورشناس دانشگاه کیل که در این پژوهش مشارکت نداشته، میگوید: «ساختاری که بیش از حد سخت باشد، در برابر نیروها مقاوم است، اما برای ایجاد حرکت مناسب نیست.» این تعادل میان سختی و انعطاف، یکی از کلیدهای موفقیت چنین الگوهایی در طبیعت است.
نویسندگان این پژوهش امیدوارند کاتالوگ آنلاین آنها به یک مرجع پویا و دائماً درحال گسترش تبدیل شود؛ منبعی که نهتنها پژوهشگران، بلکه دانشجویان و علاقهمندان علم بتوانند با کمک آن، الگوهای هندسی مشترک را در بدن جانداران و ساختارهای طبیعی که مطالعه میکنند، سریعتر و دقیقتر تشخیص دهند و نمونههای تازهای از این الگوها را نیز به آن اضافه کنند.
پژوهش در ژورنال PNAS Nexus منتشر شده است.
تصویر مقاله، عنکبوت آینهای و ساختارهای کاشیشکل با مفصلهای نرم بین آنها را روی شکم این گونه از نمای نزدیک نشان میدهد.