معمای طبیعت: پارادوکس دم مارمولک چیست؟

وقتی زمان انتخاب بین زندگی و یک عضو برسد، بسیاری از حیوانات در کمال رغبت تصمیم به فدا کردن عضو خود می‌گیرند. توانایی انداختن اعضای بیرونی اتوتومی (Autotomy) یا خودوابُری نامیده می‌شود. عنکبوت‌ها وقتی در یک گوشه گرفتار می‌شوند، بیخیال پاهای خود می‌شوند، خرچنگ‌ها چنگال‌های خود و برخی از جوندگان کوچک قسمت‌هایی از پوست خود را می‌اندازند. برخی از حلزون‌های دریایی حتی سر خود را قطع می‌کنند تا از بدن آلوده به انگل خود رها شوند.

اما مارمولک‌ها احتمالا معروف‌ترین جانورانی باشند که از اتوتومی استفاده می‌کنند. بسیاری از مارمولک‌ها برای فرار از شکارچی‌ها دم خود را، که همچنان تکان می‌خورد، می‌اندازند. این رفتار شکارچی را گیج می‌کند و باقی بدن مارمولک برای فرار زمان می‌خرد. با این که از دست دادن دم معایبی دارد ــ آن‌ها برای مانور، جفت‌یابی و ذخیرهٔ چربی به کار می‌آیند ــ از خورده شدن بهتر است. بسیاری از مارمولک‌ها حتی می‌توانند دم از دست رفته را از نو تولید کنند.

دانشمندان این رفتار ضد شکارچی را با دقت مورد مطالعه قرار داده‌اند، اما ساختارهایی که چنین کاری را ممکن می‌کنند به صورت یک معما باقی مانده‌اند. اگر یک مارمولک می‌تواند دم خود را در یک لحظه آزاد کند، چه چیزی آن را در مواقعی که تهدیدی وجود ندارد به بدن مارمولک متصل نگه می‌دارد؟

یونگ-آک سونگ (Yong-Ak Song)، مهندس بیوشیمی در دانشگاه نیویورکِ ابوظبی، این مساله را «پارادوکس دم» می‌نامد: دم باید همزمان چسبیده و قابل جدا شدن باشد. دکتر سونگ می‌گوید «مارمولک باید برای زنده ماندن دم خود را به سرعت جدا کند. اما در عین حال، نمی‌تواند دم خود را به سادگی از دست بدهد.»

اخیرا دکتر سونگ و همکارانش با مطالعهٔ چندین دم تازه جدا شده به دنبال حل این پارادوکس رفته‌اند. آن‌ها برای یافتن نمونه‌های آزمایش مشکل چندانی نداشتند ــ طبق گفتهٔ دکتر سونگ، محوطهٔ دانشگاه نیویورک ابوظبی پر از مارمولک است. آن‌ها را استفاده از حلقه‌های ریزی که به قلاب ماهیگیری وصل شده بودند، چندین مارمولک از سه گونهٔ مختلف جمع‌آوری کردند: دو نوع مارمولک خانگی و یک مارمولک بیابانی به اسم مارمولک اشمیت.

سپس آن‌ها در آزمایشگاه با استفاده از انگشتان خود دم مارمولک‌ها را کشیدند و آن‌ها را در موقعیتی قرار دادند که دم خود را بیندازند. آن‌ها با استفاده از یک دوربین سرعت بالا با سرعت ۳۰۰۰ فریم بر ثانیه از این فرایند فیلمبرداری کردند (مارمولک‌ها بلافاصله به جایی که گرفته شده بودند باز گردانده شدند). سپس دانشمندان به بررسی دم‌های جدا شده زیر یک میکروسکوپ الکترونی پرداختند.

در یک مقیاس میکروسکوپی، آن‌ها توانستند در محل جدا شدن دم از بدن انبوهی از ستون‌های قارچی شکل را ببینند. با زوم بیشتر، آن‌ها در سافتند که سر هر قارچ دارای حفره‌هایی ریز بود. آن‌ها در کمال تعجیب در یافتند که به جای این که بخش‌های بریده شدهٔ دم در صفحهٔ برش تنیده شده باشند، کیسه‌های میکروستون‌های قارچی هر بخش فقط همدیگر را لمس می‌کردند. اینطور به نظر می‌رسد که دم مارمولک یک منظومهٔ شکننده از بخش‌هایی است که تنها با لمس به یکدیگر متصل هستند.

با این حال، مدلسازی کامپیوتری تکه‌های دم نشان داد که ریزساختارهای قارچ‌مانند در رهاسازی انرژی انباشته شده مهارت دارند. یک دلیل این است که آن‌ها از شکاف‌های بسیار ریز، مانند حفره‌ها و فضای بین سر قارچ‌ها، مملو هستند. این فضاخای خالی انرژی ناشی از کشش را جذب می‌کنند و دم را در جای خود نگه می‌دارند.

با این که این میکروساختارها می‌توانند کشش را تحمل کنند، تیم پژوهشی در یافت که در برابر پیچش‌های کوچک آسیب‌پذیر هستند. آن‌ها تعیین کردند که احتمال شکستن دم ناشی از خم شدن ۱۷ برابر بیشتر از کشیده شدن است. در ویدیوهای اسلوموشن که تیم پژوهشی گرفت، مارمولک‌ها دم خود را می‌چرخاندند و با یک برش تمیز آن را می‌انداختند.

یافته‌های آن‌ها که به تازگی در ژورنال Science منتشر شده، نشان می‌دهد که چگونه این دم‌ها تعادلی بی‌نقص بین محکم و شکننده بودن برقرار می‌کنند. دکتر سونگ می‌گوید «این یک مثال زیبا از کاربرد اصل گلدیلاکس در یک مدل در طبیعت است.»

طبق گفتهٔ انیمانگسو گاتاک (Animangsu Ghatak)، مهندس شیمی انستیتوی تکنولوژی کانپور هند، بیومکانیکِ دم مارمولک یادآور میکروساختارهای چسبناک انگشت‌های مارمولک‌های خانگی و قروباعه‌های جنگلی است. دکتر گاتاک، که نقشی در پژوهش مذکور نداشته، می‌گوید «باید تعادل درستی بین چسبندگی و جدا شدن وجود داشته باشد، چون از این راه است که این حیوان می‌تواند سطوح شیب‌دار را بپیماید.» او اضافه می‌کند که پاهای مارمولک‌ها با میلیاردها موی زبر پوشیده شده که خود آن‌ها نیز از کلاهک‌های قارچی‌شکل تشکیل شده‌اند.

پژوهشگران باور دارند فهم فرایندی که به مارمولک‌ها اجازه می‌دهد دم خود را بیندازند می‌تواند در نصب اندام مصنوعی، پیوند پوست و پانسمان، و حتی کمک به ربات‌ها برای انداختن اعضای خراب خود کمک کند.

با این حال دکتر سونگ بیشتر از همه از فهم این که مارمولک‌های دانشگاه‌شان چطور از دست شکارچی‌ها فرار می‌کنند، هیجان‌زده است.

او می‌گوید «این پروژه تماما بر پایهٔ کنجکاوی بود. ما تنها می‌خواستیم بفهمیم که مارمولک‌های اطراف ما چطور به این سرعت دم خود را می‌اندازند.»