يقول باحثون في معهد كاليفورنيا للتقنية إنهم توصلوا إلى طريقة رياضية تفسر لماذا تستطيع الرخويات بناء أصداف متشابهة بشكل لافت عبر بيئات مختلفة. ويصف العمل، الذي قاده المهندس وعالم المواد كوشيك بهاتاشاريا والباحث بعد الدكتوراه هوان ليو، نمو الصدفة بمجموعة صغيرة من المتغيرات يمكنها إعادة إنتاج أشكال تمتد من لوالب النوتيلوس إلى مراوح الإسكالوب.
حقائق أساسية
- نُشرت الدراسة في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences في 23 أكتوبر.
- يقول الباحثون إن النموذج يعتمد على ثلاثة عناصر: منحنى الحافة النامية للصدفة، وعامل قياس، وزاوية دوران.
- تقول الدراسة إن النهج قادر على إعادة إنتاج الأصداف المميزة لِما يقارب أي فئة من الرخويات.
- يصف الفريق العملية بأنها سلبية وموفّرة للطاقة، وقد تلهم تصنيع أجزاء معقدة.
- يحمل البحث عنوان: «القوانين المحلية للنمو تحدد الشكل الكلي لأصداف الرخويات».
لماذا يهم هذا النموذج الهندسي لنمو الأصداف؟
الأهمية العملية للمهندسين وعلماء المواد تكمن في بساطة النموذج: فالباحثون يقولون إن كثيرًا من أشكال الأصداف يمكن أن تنشأ من نمو محلي متكرر عند حافة الصدفة، بدلًا من نظام يتتبع البنية كلها. وهذا يجعل النتيجة ذات صلة بمحاولات تصميم طرق ألطف وأقل استهلاكًا للطاقة لصنع أجزاء معقدة.
ويشير الباحثان تحديدًا إلى استخدامات محتملة في تصنيع مجاري التوزيع المتخصصة لمحركات الطائرات. كما يوضح إطار العمل أن تغيير قيمتين فقط في قانون النمو يمكن أن ينتج أصدافًا مختلفة بوضوح مع الحفاظ على الشكل العام المتكرر.
- ما الذي يقود الشكل: المنحنى الابتدائي، ومعدل النمو، وزاوية الدوران.
- ما الذي يبقى ثابتًا: الشكل العام للصدفة يظل متكررًا حتى عند تغيير معدل النمو أو إدخال عيب صغير.
- ما الذي قد ينتج لاحقًا: طرق تصنيع جديدة تحاكي النمو الحيوي السلبي.
كيف تواصل الرخويات صنع الصدفة نفسها؟
يقول الباحثان إن الإجابة تكمن في قاعدة نمو متكررة عند الحافة الأمامية للصدفة. فبمجرد تشكّل البروتوكوِنش، تحدد كل خطوة نمو الخطوة التالية، ولا تُضاف مادة جديدة إلا على طول ذلك المنحنى. وفي النموذج، يمكن إعادة بناء الصدفة كلها عبر تكرار تلك الأفعال المحلية مع مرور الوقت.
ويقول بهاتاشاريا وليو إن خطوط نمو الصدفة تحتفظ بالشكل نفسه من مرحلة إلى أخرى، مع التقاط الفروق عبر عامل القياس والدوران. ومن هنا وصفا العملية باستخدام «زمرة لاي»، وهو إطار رياضي للأفعال المتكررة والسلسة.
ماذا أظهر النموذج عبر فئات الرخويات؟
تمكن النموذج من توليد أشكال ما يقرب من جميع أصداف الرخويات المعروفة عبر تغيير المنحنى الابتدائي وعامل القياس. ويقول الباحثون إن قيمة القياس، لامبدا، ذات معنى بيولوجي: فالأصداف داخل الفئة نفسها من الرخويات لها تقريبًا القيمة نفسها، كما أن الفئات الخمس الحاملة للأصداف تشغل كل منها نطاقًا ضيقًا خاصًا بها من قيم لامبدا.
وتشمل هذه الفئات: بطنيات القدم، وذوات المصراعين، ورأسيات القدم، وأحاديات اللوح، وسكافوبودا. وتشير النتيجة إلى أن شكل الصدفة ليس متنوعًا بصريًا فحسب، بل منظم أيضًا وفق مجموعة صغيرة من معلمات النمو الأساسية.
ماذا يعني ذلك لتصميم المواد؟
يقول الفريق إن أصداف الرخويات سلبية وموفّرة للطاقة، لأن الحيوان لا يحتاج إلى تحكم إضافي لتوجيه كل مرحلة لاحقة من البناء. ولهذا السبب تبدو هذه البيولوجيا جذابة كمبدأ تصميمي للتصنيع.
وقال بهاتاشاريا إن النتائج توحي بوجود طرق تصنيع ألطف وأقل استهلاكًا للطاقة لصنع أجزاء معقدة. وقد حظي البحث بدعم من زمالة درينكورد لما بعد الدكتوراه ومنصب هاول إن. تايسون الأب في معهد كاليفورنيا للتقنية.
