نهنگ‌ها، زنبورها و ویروس‌ها: طراحی هوشمندانه از بزرگترین تا کوچک‌ترین
ترجمه: مجید رشیدی

6 دقیقه مطالعه

Evolution News

۹ دسامبر ۲۰۱۹

بزرگ‌ترین حیوان روی زمین نوعی نهنگ آبی است. کوچک‌ترین ارگانیسم (یا جزء حیات)، ویروس است. در هر دو سوی طیف طراحی[۱] مشهود است.

طراحی در غواصی نهنگ آبی

قلب نهنگ آبی، بزرگ‌ترین حیوان روی زمین، به اندازه‌ی یک گاو وزن دارد (تقریبا ۱۰۰۰ پوند، بر اساس گفته NOAA)، که در هر ضربان شصت گالن خون پمپ می‌کند. چه‌‌طور می‌توان ضربان قلب یک نهنگ آبی را اندازه گرفت؟ اگر از زیست‌شناسان دریایی دانشگاه استانفورد سوال کنید، آن‌ها در نهایت شعف و خوش‌حالی‌ و با افتخار زیاد می‌گویند که روش‌کارشان نتیجه‌بخش بوده است. آن‌ها می‌گویند ابتدا باید نهنگ آبی گریزانی را می‌یافتند و بعد ابزاری مکشی را که مجهز به سنسورهای الکترونیکی برای ضبط ضربان قلب هنگام غواصی عمیق نهنگ‌ هستند، به قسمت زیرین حیوان متصل می‌کردند. آخر کار هم باید ابزارهای مکش را پس از آزمایش پیدا می‌کردند و با یک بسته‌ی شناور مجهز به GPS، برای بازیابی ثبت کننده‌های داده، به محل می‌فرستادند. با استخراج اطلاعات جای تعجبی نبود که هیجان زده شده بودند.

این تیم قبل از اقدام به انجام پروژه‌ی اصلی روی نهنگ آبی در طبیعت، روش خود را روی نهنگ‌های کوچک‌تر و غیرآزاد امتحان کرده بود. طبق مقاله‌ی آن‌ها که در PNAS منتشر شده است، هم ضربان قلب شدید[۲] و هم ضربان قلب ضعیف[۳] در بزرگ‌ترین حیوان جهان، یعنی نهنگ آبی، در غیرمعمول‌ترین حد ممکن برای یک قلب است. ضربان قلب، به طور معمول ۲۵ تا ۳۷ بار در دقیقه در سطح دریا و درعمیق‌ترین قسمت غواصی فقط به ۲ ضربان در دقیقه کاهش می‌یابد. این بسیار کندتر از حد انتظار آن‌ها بود.

ما پیشرفت عمده‌ای در توانایی خود برای آوردن آزمایشگاه فیزیولوژیک به اقیانوس آزاد از طریق استفاده‌ی غیرتهاجمی ازتگهای متصل به ابزار مکش مجهز به الکترودهای سطحی ارایه کردیم. مطالعه‌ی ما داده‌های ضربان قلب نهنگ بزرگ غواص آزاد (نهنگ آبی)[۴] را بدون به دام انداختن و مهار قبلی ارایه می‌دهد. ما طیف گسترده‌ای از ضربان قلب را از طریق این تگ ثبت کردیم. طی غواصی‌های عمیق برای تغذیه، ضربان قلب به تنها چند ضربه در دقیقه (ضربان قلب ضعیف غیرمعمول) و در سطح دریا (ضربان قلب شدید غیرمعمول) نیز نزدیک به ۴۰ ضربه در دقیقه رسید (هنگامی که نهنگ از حبس نفس خود خارج شده‌است). دومی احتمالا نشان دهنده‌ی حداکثر ضربان قلب با توجه به مدت زمان اندازه‌گیری‌شده‌ی ضربان قلب است. در نتیجه، این تفاوت در ضربان، نشان‌دهنده‌ی بیش‌ترین دامنه‌ی دینامیکی در فعالیت قلب است.

آن‌ها معتقدند: «این نتایج ممکن است توضیح دهد که چرا نهنگ‌های آبی هیچ‌گاه به ابعاد بزرگ‌تر تکامل نیافته‌اند.» تصور این که هر مهندس انسانی، پمپی بسازد که بتواند خود را در آب بازتولید کند، دشوار خواهد بود، چه رسد به این که چنین عملکرد بالایی هم داشته باشد.

با وجود تقاضای انرژی زیاد از بدن بزرگ، میزان متابولیسم احتمالا با ضربان قلب پایین تامین می‌شود. ضربان قلب ضعیف غیرمعمول غواصی باید باعث کاهش سرعت مصرف اکسیژن خون شود و زمان غواصی برای جست‌وجو در عمق را افزایش دهد. با این حال، نهنگ‌های آبی یک مکانیسم تغذیه با مصرف بالا، یعنی تغذیه‌ی پرتابی[۵]، از خود نشان می‌دهند که به موجب آن هنگام غواصی حجم زیادی از آب پر از طعمه به طور متناوب بلعیده و فیلتر می‌شود. این تناقض در قلب بزرگی که به آرامی می‌تپد و هزینه‌ی بالای تغذیه هنگام تغذیه‌ی پرتابی نشان دهنده یک آزمایش منحصر به فرد از درک ما از عملکرد قلب، همودینامیک و محدودیت های فیزیولوژیکی اندازه‌ی بدن است.

پمپ ویروس

از بزرگ‌ترین به کوچک‌ترین: ویروس، گرچه موجود زنده‌ای نیست که حیات آزادانه داشته باشد اما دارای ماشین‌آلات طراحی شده‌ی‌ استثنایی است. باکتریوفاژ [۶]T4 سال‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است. به نظر می‌رسد این باکتریوفاژ برای همه مانند یک کاوش‌گر ماه است. روی پاها می‌نشیند و دی‌ان‌ای را به باکتری ای‌کولی[۷] تزریق می‌کند. دی‌ان‌ای نسخه‌هایی از فاژ[۸] را می‌سازد و سپس میزبان را می‌کشد. مقاله دیگری در PNAS «چه‌گونگی عملکرد ماشین‌آلات تزریق فاژ T4 شامل انرژی، نیروها و مسیر دینامیکی» را بررسی می‌کند. اگر اندازه‌گیری ضربان قلب یک نهنگ چالش برانگیز است، سعی کنید مطالعه‌ی دستگاهی در ابعاد ۹۰×۲۰۰ نانومتر را تصور کنید. تیم آمنه مقصودی و همکاران، راهی برای انجام آن یافته و به این فکر افتاده‌اند که مهندسان چه‌گونه ممکن است فناوری نانویی را که شاهد آن بوده‌اند، وام بگیرند.

ویروس باکتریوفاژ T4 با استفاده از دستگاه تزریق نانومقیاس جذب‌کننده‌ای که از دم انقباضی[۹] استفاده می‌کند، باکتری اشریشیا کولی را آلوده می‌کند. دستگاه تزریق وظیفه تشخیص و سوراخ کردن میزبان باکتریایی و انتقال ژنوم ویروسی به میزبان را هنگام آلودگی به عهده دارد. هنوز پرسش‌های اساسی در مورد چه‌گونگی آشکار شدن این فرآیند تزریق‌ در زمان واقعی باقی‌مانده است، فرآیندی که در حال حاضر قابل مشاهده‌ی مستقیم تجربی نیست. با استفاده از ترکیبی از بازنمایی اتمی و پیوستار، این مطالعه به ساختن یک مدل در سطح سیستم کل باکتریوفاژ T4 در تعامل با سلول میزبان کمک می‌کند و با این کار انرژی، نیروها و مسیر دینامیکی مرتبط با فرآیند تزریق، در معرض دید قرار می‌گیرد. نتایج دارای کاربردهای بیش‌تری برای دستگاه‌های فناوری نانو در آینده و برای انتقال دی‌ان‌ای و فاژ درمانی تجربی هستند.

تصویر ابتدایی مقاله نشان می‌دهد که چه‌گونه غلاف زیر کپسید[۱۰]، جایی که دی‌ان‌ای در آن قرار دارد، منقبض می‌شود تا دی‌ان‌ای را به میزبان تزریق کند. هرچند ابتدا الیاف پروتئینی (پایه‌های فرودگر) به غشای میزبان متصل می‌شوند. الیاف بلند برای جهت گیری ماشین‌آلات «فرود می‌آیند». سپس، یک پایه زیر غلاف تغییر شکل می‌دهد. الیاف کوتاه از کف پایه امتداد یافته و به غشا نفوذ می‌کنند، سپس ۹۰ درجه می‌چرخند تا در موقعیت قرار گیرند. غلاف وارد عمل می‌شود!

از شش رشته پروتئینی متقابل که به صورت مارپیچ مرتب شده‌اند، غلاف پیچ خورده و منقبض می‌شود و کپسید را به شکل گنبدی ژئودزیک به میزبان نزدیک می‌کند. کپسید و غلاف هنگام عمل تقریبا یک دایره‌ی کامل می‌چرخند. این کار اجازه می‌دهد تا نوک سوزنی مانند با پوسته پپتیدو گلیکان سخت خود به غشا نفوذ کند و دی‌ان‌ای ویروسی را در سیتوپلاسم قرار دهد.

هر یک از اجزای این «ماشین تزریق» پیچیده‌تر از خلاصه‌‌ای است که ارایه شد. این یک روند پرانرژی است. برای چرخاندن دستگاه و نفوذ به میزبان کار مکانیکی لازم است. نویسندگان مقاله نیروها و هزینه‌های انرژی دستگاه را اندازه‌گیری کرد‌ه‌اند.

عملکردی مانند این تنها به طور تصادفی اتفاق نمی‌افتد. در واقع چندین قسمت از ماشین‌آلات باید با هم کار کنند. نویسندگان مقاله از ماشین‌آلات پیچیده صحبت می کنند و در حالی که در مقاله‌شان چهل‌ودو بار از واژه‌ی ماشین‌آلات[۱۱]استفاده کرده‌اند از کلمه‌ی تکامل کاملا پرهیز کرده‌اند. دانشمندان نتیجه گرفته‌اند که «مطالعه‌ی ساختار، عملکرد و پویایی این ماشین‌آلات تزریق نانویی، پیامدهای مهمی برای زیست‌نانوفناوری در آینده دارد.»

هواپیمای زنبوری

برای یک نمونه از طراحی در رده‌ی متوسط، یافته جدیدی در مورد زنبورهای عسل را در نظر بگیرید. دانشمندان کالیفرنیا تکنولوژی[۱۲] دریافتند که وقتی زنبورعسلی در آب گرفتار می‌شود، می‌تواند خود را با «موج سواری» نجات دهد. یک روش هیدروفویل[۱۳]، به زنبور فرصت می‌دهد تا فرار کند:

آب، هزار برابر سنگین‌تر از هوا است و می‌تواند از پرواز زنبورعسل جلوگیری کند زیرا به بال‌ها می‌چسبد و باعث کشش[۱۴]می‌شود. زنبورعسل می‌داند چه کاری انجام دهد. بال‌های خود را به طریقی دیگر حرکت می‌دهد، چیزی مانند شنای کرال. این عمل امواجی را در پشت زنبور به وجود می‌آورد که تداخل ایجاد می‌کنند و عدم تقارنی ایجاد می‌شود که زنبور را به جلو می‌برد. اگرچه این انرژی بسیار بیش‌تر از پرواز است، اما حدود ۱۰ دقیقه به زنبور عسل زمان می‌دهد تا ساحل را پیدا کند و به بیرون بخزد.

ویدیوی حرکت آهسته، منبع عدم تقارن بالقوه را که نجات‌دهنده‌ی زندگی زنبور است، نشان می‌دهد: به جای این که تنها در آب بالا و پایین بزند، بال‌های زنبور به داخل گردانده می‌شود یا به سمت پایین انحنا می‌یابد، به این صورت که بال‌ها هنگام فشار دادن آب به پایین و بالادادن (به سمت بالا خم می‌شود) و هنگام کشیدن پشت به بالا، به بیرون از آب. طوری که حرکت کششی رانش را ایجاد می‌کند، در حالی که حرکت فشاری یک حرکت بازیابی است.

به علاوه، ضربات بال در آب کندتر است و دامنه‌ی آن یک ضربه است. اندازه‌گیری این که تا چه مسافتی بال‌های آن‌ها هنگام ضربه زدن حرکت می‌کند، کم‌تر از ۱۰ درجه است. این مقیاس در مقابل ۹۰ تا ۱۲۰ درجه هنگام پرواز از طریق هوا است. در طول کل فرآیند، قسمت پشتی (یا بالایی) بال خشک می‌ماند در حالی که قسمت زیرین به آب می‌چسبد. آبی که به قسمت زیرین بال متصل است، نیروی بیش‌تری به زنبورها می دهد تا خود را به جلو سوق دهند.

زنبورها در کندو به آب احتیاج دارند. آن‌ها مکان‌های مخصوصی برای نگه‌داشت آب در دهان دارند، اما گاهی ممکن است گیر کنند و غرق شوند. یکی از دانشمندان معتقد است: «این حرکت هرگز در سایر حشرات ثبت نشده است و ممکن است نشان دهنده‌ی نوعی سازگاری منحصر به فرد از سوی زنبورها باشد.»

روه و غریب[۱۵]، که هر دو در مرکز سیستم‌ها و فناوری‌های خودکار کالیفرنیا تکنولوژی[۱۶] کار می‌کنند، از قبل شروع به استفاده از یافته‌های خود در تحقیقات روباتیک کرده‌اند و یک روبات کوچک تولید کرده‌اند که از حرکت مشابهی برای حرکت در سطح آب استفاده می‌کند. گرچه کار فشرده‌ای می‌طلبد، اما یک روز می‌توان از این حرکت برای تولید روبات‌هایی استفاده کرد که قادر به پرواز و شنا باشند.

طراحی، همه‌جا

نهنگ‌ها، زنبورها و ویروس‌ها: این طراحی هم از سمت پایین و هم از سمت بالا است. این نمونه‌ها هر کدام نشان می‌دهد که دانش طراحی نه تنها درک ما را از طراحی‌های «پیچیده» در طبیعت افزایش می‌دهد، بلکه باعث می‌شود طراحان انسانی از آن الگو برداری کنند.

منبع:

https://evolutionnews.org/2019/12/whales-bees-and-viruses-intelligent-design-from-biggest-to-smallest/

[۱] design

[۲] tachycardia

[۳] bradycardia

[۴] free-diving whale (blue whale)

[۵] lunge feeding

[۶] The T4 bacteriophage

[۷]-E.Coli، اشریشیا کولی.

[۸] the phage

[۹] contractile tail

[۱۰] a sheath below the capsid