حرکت شناگونه پیچیده و سه‌بعدی برخی انواع جلبک‌ها از روی تصاویر دوبعدی بازسازی شده است. این پژوهش توسط گروهی از بیوفیزیک‌‌دان‌ها در ایتالیا و آلمان انجام شده است، که مدعی هستند نتایج کار آن‌ها «قانونی کلی» برای حرکت پیش‌رانش تاژک‌ها (وسیله حرکت موجودات ذره‌بینی) ارائه می‌کند. این قانون می‌تواند به توسعه و پیشرفت ربات‌هایی که از طبیعت الهام گرفته‌اند، به ویژه آن‌هایی که کاربرد پزشکی دارند، کمک کند.

(برای مشاهده ویدئو اینجا را ببینید)

بسیاری از موجودات ذره‌بینی شناگر به وسیله ساختارهایی شلاقی-شکل، که تاژک (فلاژل) نامیده می‌شود، خود را به جلو می‌رانند. بسیاری از انواع پیش‌رانش‌ها دارای الگوهای ضربه‌ای سطحی و مارپیچی است، که تمامی آن‌ها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. اگرچه اوگلنیدها (گروهی از جلبک‌ها که عموماً در آب‌های شیرین یافت می‌شود)، یک تک تاژک پیشین دارند و حرکتشان به صورت چرخشی سریعی است که با این الگوهایی که غالباً دیده می‌شود، متفاوت است. این جابه‌جایی غالباً در قالب «طناب چرخان» یا «هشتی شکل» توضیح داده می‌شود، اما مطالعه آن به دلیل خط سیر سه‌بعدی پیچیده‌اش دشوار است.

اخیراً، آنتونیو دسیمون (Antonio DeSimone) در مدرسه بین‌المللی مطالعات پیشرفته در تریسته ایتالیا، و هم‌کارانش از تصاویر دوبعدی نمونه‌هایی از باریکه‌های اوگلنا، که اوگلنیدهای بلند 50 میکرومتری هستند، استفاده کردند، تا مسیر ضربه‌ای تاژک و حرکت موجودات ذره‌بینی را به صورت سه‌بعدی بازسازی کنند.

یافتن حلقه مفقوده

دسیمون عرضه می‌دارد که «با روش‌های کنونی مشاهده مستقیم نمی‌توانیم موجود در حال حرکت را به صورت سه‌بعدی و با دقت مکانی و زمانی کافی ببینیم». «روش ما، که می‌تواند برای تمام موجودات ذره‌بینی تاژک‌دار تعمیم داده شود، این حلقه مفقوده را پیدا کرده و از این رو برای مطالعه و شناخت گونه‌های دیگر نیز مفید است».

پژوهش‌گران با استفاده از دوربین با سرعت فیلم‌برداری بالا، تصاویر میکروسکوپیک دوبعدی استانداردی با سرعت فریم بالا گرفتند و آن‌ها را در کنار مدل‌های ریاضی قرار دادند که مبنای آن فرضیه‌های فیزیکی ساده‌ای است که بر سامانه‌های پیش‌رانش حاکم است. به طور خاص، همانند عدد رینولدز پایین در سامانه‌های هیدرودینامیک، که در این‌جا معادل محدودیت در خطوط سیر احتمالی و چرخش جلبک‌هاست.

به گفته اعضای این گروه روش آن‌ها شبیه به روشی است که قرن‌ها قبل یوهانس کپلر و ایزاک نیوتون برای شناسایی چرخش‌ سیارات به دور خورشید در منظومه شمسی به کار گرفتند. تا پیش از آن ممکن بود مسیر حرکت سیارات پیچیده و مرموز به نظر برسد. اما وقتی فهمیدند که تمام سیارات به دور خورشید می‌گردند محاسبه و توضیح حرکت‌شان امکان‌پذیر و ساده شد.

دسیمون چنین توضیح داد:« اندکی شبیه آن است که بدانیم زمین به دور محوری می‌گردد و این‌گونه مدار چرخش آن به وجود می‌آید، سپس تصاویر دوبعدی پی در پی از سیاره بگیریم، که اگر از سمت خورشید به آن نگاه کنیم به صورت تعداد زیادی دیسک دیده می شود. با قرار دادن تصاویر در جهت‌های صحیح، می‌توان نقشه سه‌بعدی زمین را بازسازی کرد».

محورهای مرجع

به همین صورت، هنگامی که محورهای مرجع حرکت اوگلنیدها شناخته شود، می‌توان به کمک مجموعه‌ای از تصاویر دوبعدی، یک مدل سه‌بعدی از حرکت آن‌ها و شکل‌های تاژک‌های ضربه‌ای (شلاقی) را ساخت.

پژوهش‌گران می‌گویند هرچند تاژک جلبک در جلوی بدن موجودات ذره‌بینی قرار گرفته است، حرکت آن‌ها را نمی‌توان همانند زمانی که یک عامل ضربه‌ای در پشت سلول، آن را به جلو می‌راند، خلاصه کرد. آن‌ها توضیح دادند که تاژک‌ها حرکت ضربه‌ای عرضی دارند و دنباله‌ای از شکل‌های غیرسطحی پیچیده‌ را پدید می‌آورند و هیچ تقارن واضحی را نمی‌توان در آن‌ها دید تا بتوان مسیر حرکت آن‌ها را پیش‌بینی کرد. آن‌ها توضیح دادند که حرکت شامل مسیرهای مارپیچی است که به بدنه چرخان آن‌ها جفت شده است (ویدئو را ببینید).

به گفته پژوهش‌گران، نتایج آن‌ها بر مشاهدات تجربی منطبق است و پیشنهاد می‌کند در تمام موجودات ذره‌بینی تاژک‌دار وقتی تاژک آن‌ها به صورت متناوب در واحد زمان شلاقی ضربه می‌زند، حرکت آن‌ها به صورت مسیرهای مارپیچ است. به گفته آن‌ها این «قانونی کلی» برای حرکت پیش‌رانش تاژک‌ها است.

روبات‌های بسیار کوچک

پژوهش‌گران بر این باورند دانستن این‌که موجودات ذره‌بینی چگونه حرکت می‌کنند، می‌تواند به پیشرفت و توسعه روبات‌های کوچک الهام‌گرفته از طبیعت کمک کند. دسیمون می‌گوید: «از سال‌ها پیش، بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سرتاسر جهان به دنبال یافتن نحوه حرکت موجودات ذره‌بینی بیولوژیکی بوده‌اند تا آن را در صنعت پیاده کنند. مثلاً، موجودات ذره‌بینی کوچک همانند اوگلنیدها خاصتاً برای کاربردهای پزشکی جالب توجه هستند».

این پژوهش در نشریه تازه‌های آکادمی‌ ملی علوم (Proceedings of the National Academies of Sciences) منتشر شده است.

نویسنده: Michael Allen

منبع: Kepler and Newton help solve mystery of how some algae swim

مرجع: Kinematics of flagellar swimming in Euglena gracilis