مهندسی شبیه شمشیر سامورایی؛ عقربها نیش و چنگال خود را با فلز تقویت کردهاند
عقربها از ترسناکترین شکارچیان دنیای بندپایان به شمار میروند. آنها دو چنگال بزرگ در جلوی بدن و نیشی سمی در انتهای دمشان دارند؛ سلاحهایی که برای گرفتن شکار، دفاع و تزریق سم استفاده میشوند. اکنون پژوهشی تازه نشان میدهد این سلاحها فقط اندامهای ساده زیستی نیستند، بلکه ساختارهایی تقویتشده با فلز محسوب میشوند.
دانشمندان با بررسی شیمیایی نیش و چنگال عقربها دریافتند این بخشها حاوی فلزاتی مانند روی، آهن و منگنز هستند. وجود این فلزات در بدن عقربها از دهه ۱۹۹۰ شناخته شده بود، اما دانشمندان نمیدانستند آیا این موضوع صرفاً نتیجه جذب تصادفی فلزات از محیط است یا اینکه عقربها در جریان تکامل، عمداً این فلزات را برای تقویت سلاحهای خود به کار گرفتهاند.
گروهی از پژوهشگران به سرپرستی سم کمپبل، زیستشناس دانشگاه کوئینزلند استرالیا، تلاش کردهاند به این پرسش پاسخ دهند. نتایج مطالعه آنها نشان میدهد توزیع فلزات در سلاحهای عقربها کاملاً هدفمند و حاصل فرایند تکامل است.
پژوهشگران برای انجام مطالعه، ۱۸ گروه مختلف عقرب را از مجموعه موزه ملی تاریخ طبیعی اسمیتسونین انتخاب کردند. سپس با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی با وضوح بالا و تصویربرداری فلورسانس پرتو ایکس، ساختار مولکولی نیش و چنگال آنها را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج نشان داد در بیشتر گونههای بررسیشده، فلز روی در نوک نیش عقرب بیشترین غلظت را دارد. نیش عقرب در بخش انتهایی خود ساختاری سوزنیشکل به نام خارچه یا نیش دارد که برای تزریق سم استفاده میشود. پژوهشگران میگویند وجود روی در این ناحیه باعث افزایش سختی و استحکام نوک نیش میشود و از شکستن آن هنگام ضربه جلوگیری میکند. کمپبل توضیح میدهد که روی نقش مهمی در حفظ سختی نوک نیش دارد تا این بخش بتواند هنگام حمله فشار زیاد را تحمل کند.
در بخش پایینتر نیش، فلز منگنز بیشتر دیده میشود. پژوهشگران حدس میزنند منگنز به انعطافپذیری و جذب لرزشها کمک میکند. به گفته آنها، ترکیب این دو فلز باعث میشود نیش عقرب مانند نیزهای زیستی عمل کند؛ سلاحی که میتواند در پوست سخت یا اسکلت خارجی شکار نفوذ کند، بدون آنکه خودش بشکند. کمپبل میگوید نیش عقرب هنگام حمله نیروی زیادی تولید میکند و به همین دلیل باید بتواند این فشار را بدون ترک خوردن یا شکستن تحمل کند.
دانشمندان الگوی جالب مشابهی را در چنگال عقربها نیز مشاهده کردند. بررسیها نشان داد تجمع روی و آهن فقط در ردیفهای دندانهدار چنگال وجود دارد؛ یعنی همان برجستگیهای کوچک و دندانمانندی که در لبه چنگال قرار دارند و برای گرفتن و نگهداشتن شکار استفاده میشوند. پژوهشگران میگویند این طراحی تا حدی شبیه شمشیر سامورایی است که سختترین ماده در لبه برنده آن و نه در کل تیغه، متمرکز میشود. کمپبل میگوید وقتی این دندانهها ظاهر میشوند، غلظت فلزات نیز دقیقاً در همان نقاط بالا میرود، اما در بخشهای اطراف چنگال تقریباً هیچ فلزی دیده نمیشود.
در بیشتر گونهها فلز روی در نوک نیش متمرکز است و باعث افزایش سختی و جلوگیری از شکست آن هنگام وارد کردن ضربه میشود
با این حال، زمانی که پژوهشگران تفاوت میان گونههای مختلف عقرب را بررسی کردند، با پیچیدگی بیشتری روبهرو شدند. عقربها از نظر شکل چنگال، اندازه نیش و شیوه شکار تفاوتهای زیادی با یکدیگر دارند و به نظر میرسد این تفاوتها بر نحوه توزیع فلزات نیز اثر میگذارد.
برای مثال، گونههای خانواده کژدمهای دمکلفت بیشتر برای شکار به نیش خود وابستهاند. این عقربها معمولاً چنگالهای بلند، باریک و نسبتاً ضعیفی دارند و از سم برای از کار انداختن شکار استفاده میکنند. در مقابل، عقرب امپراتور (Pandinus imperator) که یکی از بزرگترین گونههای عقرب جهان است، بیشتر از چنگالهای بزرگ و قدرتمند خود استفاده میکند. این گونه میتواند حشرات، موشهای کوچک و مارمولکهای کوچک را با فشار چنگالهایش خرد کند و معمولاً نیش را بیشتر برای دفاع به کار میبرد.
- سمی ترین حیوانات جهان ؛ از عنکبوت تارقیفی تا مار جعفری22 خرداد 02مطالعه '16
- مار علیه گرانش؛ خزندگان بیدستوپا چگونه استاد حفظ تعادل شدهاند؟11 فروردین 05مطالعه '3
- چرا حیوانات سمی براثر توکسینهای خود نمیمیرند؟20 شهریور 00مطالعه '4
پژوهشگران در آغاز تصور میکردند عقربهایی که چنگالهای قویتر دارند باید فلز بیشتری در چنگالهای خود ذخیره کنند تا سختی بیشتری ایجاد شود. اما نتایج مطالعه پیچیدهتر از انتظار بود. اگرچه غلظت روی در چنگالهای ضعیفتر بیشتر دیده شد، میزان آهن در چنگالهای بزرگ و نیرومند بالاتر بود. دانشمندان احتمال میدهند آهن بیشتر به مقاومت در برابر ساییدگی کمک میکند، نه صرفاً افزایش سختی.
کمپبل توضیح میدهد عقربهایی با چنگالهای بزرگ معمولاً میتوانند شکار را سریع خرد کنند، اما گونههایی که چنگالهای باریک و ضعیف دارند باید مدت بیشتری شکار در حال تقلا را نگه دارند تا سم فرصت اثرگذاری پیدا کند. به همین دلیل احتمالاً این عقربها برای جبران ضعف ساختاری چنگالهای خود، از روی بیشتری استفاده میکنند.
یکی دیگر از یافتههای جالب مطالعه این بود که میان میزان روی در نیش و چنگال رابطهای معکوس وجود دارد. یعنی اگر گونهای چنگالهای بسیار غنی از روی داشته باشد، نیش آن معمولاً روی کمتری دارد و برعکس. پژوهشگران میگویند این موضوع نشان میدهد تکامل تمایل دارد سلاحی را بیشتر تقویت کند که هر گونه، بیشترین استفاده را از آن میکند.
با وجود این طراحی پیشرفته، سلاحهای عقربها بینقص نیستند. دانشمندان میگویند در طبیعت گاهی نیش عقربها میشکند و جالب اینکه محل شکست معمولاً دقیقاً در مرز میان ناحیه غنی از روی و ناحیه دارای منگنز رخ میدهد. علت این ضعف هنوز مشخص نیست. یکی از فرضیههای پژوهشگران این است که روی و منگنز منابع محدودی هستند و عقربها نمیتوانند کل اسکلت خارجی خود را با این فلزات تقویت کنند. در نتیجه، فقط حیاتیترین بخشهای سلاحشان را تقویت میکنند.
در بخشهای پایینتر نیش عقرب منگنز بیشتر دیده میشود که احتمالاً به انعطافپذیری و جذب فشار کمک میکند
هنوز پرسشهای زیادی بیپاسخ مانده است. مطالعه مورد بحث فقط از نمونههای موزهای استفاده کرده و از هر گونه تنها یک نمونه بررسی شده است. به همین دلیل، تفاوتهای احتمالی میان اعضای مختلف یک گونه مشخص نشده است. کمپبل میگوید این موضوع میتواند مهم باشد، زیرا در بسیاری از عقربها تفاوت ظاهری میان نر و ماده زیاد است و مادهها معمولاً جثه بزرگتری دارند.
پرسش مهم دیگر این است که آیا میزان فلزات در طول زندگی عقرب تغییر میکند یا نه. عقربها چندین بار پوستاندازی میکنند و در هر مرحله وارد دوره رشدی تازهای میشوند. مطالعات قبلی نشان دادهاند نوزاد عقربها در نخستین مرحله رشد خود تقویت فلزی در نیش ندارند و این فلزات از مرحله دوم رشد به بعد ظاهر میشوند.
بررسی چنین پرسشهایی دشوار است، زیرا عقربها جانورانی شبزی هستند، اغلب در بیابانها زندگی میکنند و بخش زیادی از زمان خود را زیر زمین میگذرانند. دانشمندان هنوز رفتار واقعی بسیاری از عقربها را بهطور کامل نمیشناسند و برای درک ارتباط میان رفتار آنها در طبیعت و ساختار فلزی اسکلتشان، به مطالعات بسیار گستردهتری نیاز است.
پژوهش در ژورنال Journal of The Royal Society Interface منتشر شده است.