كيف توظف الحيوانات القوانين الفيزيائية لصالحها؟ لا زال العلماء يكتشفون أسرارها
المترجم: عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم 161 لسنة 2024
Animals use physics? Let us count the ways. Cats twist and snakes slide، exploiting and negotiating physical laws. Scientists are figuring out how.
By Tom Siegfried
July 10,2024
لنفترض أنك تحمل قطة بالمقلوب ورميتها من نافذة في الطابق الثاني. إذا كانت القطة مجرد نظام ميكانيكي «1» يخضع لقواعد نيوتن الخاصة بحركة المادة، فيجب أن تسقط إلى الأرض على ظهرها. «حسنًا، لابد أن تتوفر هناك بعض الشروط الفنية - مثلًا، عملية السقوط هذه لابد أن تتم في الفراغ، لكن تجاهل ذلك الشرط الآن.» بدل أن تسقط على ظهرها، تتفادى معظم القطط عادةً الإصابة وذلك بقلب نفسها في الأثناء للهبوط سالمةً على قوائمها.
لا يصاب معظم الناس بالحيرة من هذه الحركة، فقد شاهد الكثير مقاطع فيديو تشهد على براعة القطط البهلوانية. ولكن على مدى أكثر من قرن، لا يزال العلماء يتساءلون بخصوص فيزياء هذه الحركة التي تقوم بها القطط. من الواضح أن المبرهنة الرياضية التي تحلل حركة القطة الساقطة كنظام ميكانيكي [1] تفشل في التوصل إلى نتيجة بالنسبة لسقوط القطط الحية، كما أشار فرانك ويلتشيك Frank Wilczek الحائز على جائزة نوبل في ورقة نشرها مؤخرًا.
”هذه المبرهنة لا علاقة لها بالقطط كحيوانات بيولوجية حقيقية“. فهي ليست نظم ميكانيكية مغلقة [2] ، ولكن بإمكانها أن ”تستهلك الطاقة المخزنة... مما يجعل الحركة الميكانيكية ممكنة،“ بحسب ويلتشيك، عالم الفيزياء النظرية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
ومع ذلك، القوانين الفيزيائية تجري على القطط، وكذلك على كل أنواع الحيوانات الأخرى، من الحشرات إلى الفيلة. فالبيولوجيا لا تتفادى الفيزياء؛ بل تخضع لها. من الاحتكاك على المقاييس المجهرية إلى ديناميكيات السوائل في الماء والهواء، تستغل الحيوانات القوانين الفيزيائية لتجري أو تعوم أو تطير. كل جانب آخر من جوانب سلوك الحيوان، من التنفس إلى بناء المآوي، يخضع بطريقة ما للقيود التي تفرضها الفيزياء وتعتمد على الإمكانيات التي تسمح بها.
”الكائنات الحية هي... نظم خاضعة للفيزياء على المقاييس الطولية والزمنية المتعددة،“ بحسب ما ذكرت جينيفر ريزر Jennifer Rieser ومؤلفون مشاركون آخرون في العدد الحالي من المجلة السنوية لفيزياء المواد المكثفة [3] .
على الرغم من أن مجال فيزياء سلوك الحيوان لا يزال في مراحله الأولى، فقد تم إحراز تقدم كبير في تفسير السلوكيات الفردية للحيوانات، إلى جانب مدى تأثُر تلك السلوكيات بالتفاعلات مع أفراد أخرى [من نفس النوع أو أنواع أخرى] ومع البيئة. وبصرف النظر عن اكتشاف الكثير عن كيف توظف الحيوانات ما تملكه من طيف من المهارات المتنوعة، فإن مثل هذه الأبحاث قد تؤدي أيضًا إلى التوصل إلى معرفة بخصائص فيزيائية جديدة مكتسبة من خلال الاستكشاف الدقيق لقدرات الحيوانات، التي لم يتوصل العلماء إلى معرفتها بعد.
حركة الحيوانات
تجري الفيزياء على الحيوانات أثناء حركتها على طيف واسع من المقاييس المكانية. وفي أصغر طرف من هذا الطيف، القوى الجاذبة بين الذرات القريبة من بعضها تقوم على تسهيل قدرة الوزغ وبعض الحشرات على تسلق الجدران أو حتى المشي على الأسقف. وعلى نطاق أوسع قليلاً من هذا الطيف، الأنسجة والهياكل تزود الحيوانات بخاصية الإلتحام للقيام بحركات أخرى. في ريش الطيور، على سبيل المثال، تعمل الخطافات والأسلات الصغيرة بما يشبه مشابك الفيلكرو [4] ، حيث يُثبَّت الريش في مواضعه لتعزيز قوة الرفع [5] أثناء الطيران، حسبما أفادت ريزر وزملاؤها.
القوام البيولوجي «كيفية الترتيب المكاني للعناصر المكونة لسطح الجسم» يساعد الحيوان أيضًا على الحركة وذلك بتسهيل الاحتكاك بين أجسام الحيوانات والأسطح التي تتحرك عليها. حراشف ثعابين كاليفورنيا الملكية تمتلك قوامًا يسمح لها بالحركة الانزلاقية «الزحف» السريعة للأمام، ولكنها تزيد من الاحتكاك لتثبيط الحركة إلى الخلف أو الحركة الجانبية. تفيد الدراسات الحديثة إلى أن بعض الثعابين الجانبية الحركة قد طورت على ما يبدو قوامًا مختلفًا يقلل الاحتكاك في اتجاه الحركة.
البنى المجهرية الحجم [6] لأجسام الحيوانات مهمة أيضًا لتعامل الحيوانات مع الماء. بالنسبة للكثير من الحيوانات، كون البنى المجهرية للجسم ”فائقة الكره للماء [7] “ - وهي قادرة أيضًا على منع اختراق الماء لأجسامها. ”في المناخات المطيرة، التخلص من قطرات الماء الساقطة، ضروري للحيوانات، مثل الطيور الطائرة والحشرات، حيث يكون عاملا الوزن والثبات في غاية الأهمية“، كما تشير ريزر، من جامعة إيموري، والمؤلفون المشاركون شانتال نغوين Chantal Nguyen وأوريت بيليج Orit Peleg وكالفين ريسكا Calvin Riiska.
تكشف فيزياء الاحتكاك عن مدى تأثير الأشكال والهياكل المختلفة لحراشف جلد الثعبان عن الطريقة التي تنزلق بها الثعابين. الحسكات الدقيقة توجد على زاوية بعكس اتجاه رأس ثعبان ملك كاليفورنيا، مما يخلق احتكاكًا يقاوم أي انزلاق «زحف» للخلف ولكنه يسهل الحركة للأمام
كما تساعد الأسطح الكارهة للماء الحيوانات على الحفاظ على نظافة جلدها. ”آلية التنظيف أو التطهير الذاتي هذه... يمكن أن تكون مهمة للمساعدة في حماية الحيوان من المخاطر، مثل تواجد الطفيليات التي تنتقل عن طريق الجلد وغيرها من عوامل العدوى الأخرى“. وفي بعض الحالات، قد يكون من الضروري إزالة المواد الغريبة من سطح جسم الحيوان للحفاظ على خصائص السطح التي تعزز من قدرته على التمويه والإختفاء.
في الواقع، فإن فيزياء تفاعل الضوء مع سطح جسم الحيوان له صلة بالكثير من السلوكيات الأخرى. الألوان الزاهية والتقزح اللوني [8] في الطيور والفراشات وبعض الحشرات الأخرى تعتمد على التوليفات بين طبقات البنى المجهرية المختلفة لسطح الجسم. هذه الألوان لها دور في التودد [9] ويمكن أن يكون لها أثر في القدرة على تفادي الحيوانات المفترسة.
وعلى مستويات أوسع، لا تزال الفيزياء تشكل الأساس حتى لأبسط حركة من حركات الحيوانات، والتي تتطلب تنسيقًا معقدًا بين الإشارات الكهربائية والكيميائية داخل الجسم وبين الجسم والدماغ. ومن أجل القيام بحركة ناجحة، لابد أن تتناغم فيزياء الحيوان الداخلية مع الخصائص الفيزيائية للبيئة المحيطة. فالحركة عبر السوائل «الماء والهواء»، على سبيل المثال، لا يتحكم فيها الجسم فحسب، بل أيضًا يدخل في ذلك خصائص السائل الفيزيائية.
في الماء، تستخدم الحيوانات المائية استراتيجيات حركة مختلفة بناءً على عوامل مختلفة، بما فيها شكل جسمها. على سبيل المثال، تدفع الأسماك ذات الأجسام الممشوقة نفسها بشكل أساس وذلك بحركة من الجسم والذيل تارة إلى اليمين وأخرى إلى اليسار. الأسماك التي لها أشكال أجسام أخرى تنتج حركتها بتحريك زعانفها.
الطرق الفيزيائية لوصف هذه الاستراتيجيات لا يمكن أن تتسبب بسهولة في عوامل مثل الاضطرابات والدوامات المائية [11,10]. عمل حوسبة «محاكاة» للسلوك المتوقع لهذه الحيوانات في مثل هذه الحالات يتجاوز قوة الحوسبة المتاحة. لذلك تحول العلماء إلى تجارب فعلية. قدمت إحدى هذه الدراسات أمارات على القدرة الغريبة لأسماك السلمون المرقط؛ تدفق الماء من أسطوانة أنتج دوامة جعلت حتى سمك السلمون المرقط الميت يسبح عكس التيار.
بناء الحيوان للمآوي
لقد زود التطور الحيوانات بمهارات حركية تتكيف مع البيئة بشكل مباشر بدون الحاجة إلى كتيب اوشادي. لكن تغيير البيئة لصالح الحيوانات يتطلب معرفة فيزيائية أكثر تقدمًا. من النمل والدبابير إلى الغرير «الغرير حيوان من فصيلة بن عرس» والقنادس، تعلمت حيوانات مختلفة كيف تبني أوكارها ومآويها وغيرها من الأماكن لحماية نفسها من التهديدات التي تتعرض لها في البيئية.
أعشاش الطيور، على سبيل المثال، لابد أن تجمع بين أغصان الأشجار الصغيرة المرنة وأوراقها والتراب والحشائش في هيكل عش يتميز بالثبات والسلامة الميكانيكية من حيث التصميم. يبدو أن الطيور تعرف أن أغصان الأشجار المرنة تعطي الثبات المطلوب أفضل من القضبان الصلبة؛ أثبتت التجارب الفيزيائية أن ثني المواد الأكثر مرونة بؤدي إلى الحصول على قوة احتكاك [12] تساعد على تثبيت مكونات العش معًا. تعتقد ريزر وزملاؤها أن تطبيق المزيد من معرفة الطيور في طريفة بناء أعشاشها يمكن أن يساعد العلماء على تصميم مواد خارقة [13] جديدة لأغراض مختلفة.
يجب أن تخضع مآوي «جحور» الحيوانات أيضًا للفيزياء اللازمة للتحكم في درجة الحرارة والرطوبة والتهوية ضمن نطاق مريح. وكتبت ريزر وزملاؤها: ”بدون امكانية تبديل الهواء بشكل كافٍ، على سبيل المثال، ستختنق هذه الحيوانات“.
على سبيل المثال، تقوم كلاب المروج «من الفصيلة السنجابية» [14] ببناء جحور واسعة ذات فتحات متعددة. التحليل الفيزيائي يثبت أن هذه الفتحات لابد أن تكون مختلفة في الارتفاع [15] لتزويد الجحر بالتهوية المناسبة «وذلك بسيب اختلافات الضغط التي تسمح بتدفق الهواء». الدراسات الميدانية تبين أن كلاب المروج اكتشفت ذلك بنفسها - تمامًا كما اكتشفت القطط طريقة الالتواء وتغيير شكل الجسم عند السقوط.
مما لا شك فيه أن الحيوانات لديها الكثير من الحيل الأخرى التي لم يستطع الفيزيائيون أنفسهم تفسيرها بشكل كامل بعد، ولهذا لا يزال مجال فيزياء سلوك الحيوان خصب جدًا.
كتبت ريزر وزملاؤها: ”إجراء المزيد من الدراسات في الجوانب العديدة لسلوكيات الحيوانات من منظور فيزيائي من شأنه أن يساعد في اكتشاف قوانين فيزيائية جديدة للسلوك التي اكتشفتها الطبيعة ولكن لم نكتشفها أو نفهمها بشكل كامل حتى الآن.“
