مارمولک چگونه دم جداشدنی‌اش را متصل به خود نگاه می‌دارد؟

هنگام انتخاب بین زندگی و اندام، بسیاری از حیوانات با رضایت اندام خود را قربانی می‌کنند. توانایی انداختن زائده‌ها «خودبُری» یا «قطع عضو ارادی» نامیده می‌شود. عنکبوت‌ها وقتی در موقعیت سختی گیر می‌کنند، پاهای خود را رها می‌کنند؛ خرچنگ‌ها، چنگال‌های خود را می‌اندازند و جوندگان کوچک توده‌هایی از پوست خود را می‌ریزند. برخی از لیسه‌های دریایی حتی سر خود را از بدن جدا می‌کنند تا از بدن آلوده به انگل خود رها شوند.

اما مارمولک‌ها ممکن است از‌ نظر قطع عضو ارادی بیشتر از همه شناخته شده باشد. آن‌ها برای فرار از شکارچیان، دم‌ خود را که هنوز در‌ حال تکان خوردن است، از بدن جدا می‌کنند. این رفتار شکارچی را گیج می‌کند و زمانی مهیا می‌کند تا مارمولک بتواند فرار کند.

درحالی‌که از دست دادن دم معایبی دارد (دم برای حرکت، تحت‌تأثیر قرار دادن جفت و ذخیره چربی مفید است)، بهتر از این است که جانور خورده شود. بسیاری از مارمولک‌ها حتی می‌توانند دم ازدست‌رفته خود را ترمیم کنند.

دانشمندان این رفتار ضدشکارچی را به دقت مورد مطالعه قرار داده‌اند، اما ساختارهایی که باعث این پدیده می‌شوند، هنوز به‌خوبی شناخته نشده‌اند. اگر مارمولکی بتواند دم خود را در یک لحظه جدا کند، در موقعیت‌هایی که تهدیدکننده زندگی نیست، چه چیزی آن را به بدنش متصل نگه می‌دارد؟

اخیراً دکتر سونگ و همکارانش با بررسی چند دم تازه جداشده به‌دنبال حل این پارادوکس بودند. به‌گفته‌ی دکتر سونگ، پردیس ابوظبی دانشگاه نیویورک پر از مارمولک‌های گِکو است. آن‌ها با استفاده از حلقه‌های کوچک متصل به چوب‌های ماهیگیری، چندین مارمولک از سه گونه را جمع‌آوری کردند: دو نوع گکو و یک نوع مارمولک بیابانی به نام مارمولک ریش‌ریش‌انگشت اشمیت.

دم مارمولک از مجموعه‌ای از قطعاتی تشکیل شده است که در یک ردیف مانند دوشاخه به پریز متصل می‌شوند. بسته به این مسئله که مارمولک به قربانی کردن چه مقدار از دم خود نیاز دارد، دم می‌تواند در امتداد هر یک از این نقاط که «صفحات شکست» نامیده می‌شوند، شکسته شود.

بین هر قطعه، زبانه‌ها (هشت دسته مخروطی‌شکل از عضلات که به شکل دایره قرار گرفته‌اند)، به‌طور منظم درون سوکت‌های مربوط به خود که از دیواره‌های نسبتاً صاف تشکیل شده‌اند، قرار می‌گیرند. هر یک از این زبانه‌ها نیز با انبوهی از برجستگی‌ها یا ریزستون‌هایی پوشیده شده‌ است که شبیه قارچ‌های کوچک هستند.

مارمولک‌ها از پردیس ابوظبی دانشگاه نیویورک گرفته شدند و در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفتند.

پژوهشگران در آزمایشگاه دم مارمولک‌ها را با انگشتان خود کشیدند و آن‌ها را وادار به انجام عمل قطع عضو کردند. آن‌ها از این فرایند با استفاده از دوربینی پرسرعت فیلم‌برداری کردند (مارمولک‌ها به‌زودی به محلی که از آنجا پیدا شده بودند، برگردانده شدند). دانشمندان سپس دم‌های در‌ حال پیچ‌و‌تاب خوردن مارمولک‌ها را زیر میکروسکوپ الکترونی قرار دادند.

در مقیاس میکروسکوپی، پژوهشگران توانستند ببینند که در محل هر شکستگی که در آن دم از بدن جدا شده بود، ستون‌های قارچ‌مانند فراوانی دیده می‌شد و هر کلاهک قارچ پر از منافذ بسیار ریزی بود.

پژوهشگران از کشف این مسئله شگفت‌زده شدند که به‌جای اینکه بخش‌هایی از دم در امتداد صفحات شکست در هم گیر کنند، به‌نظر می‌رسید که بسته‌های متراکم ریزستون‌ها روی هر قطعه، تماس سطحی با هم داشته باشند. این امر موجب می‌شد دم مارمولک مانند مجموعه‌ی شکننده‌ای از قطعاتی به‌نظر برسد که اتصال ضعیفی با هم دارند.

اگرچه مدل‌سازی کامپیوتری صفحات شکست دم نشان داد که ریزساختارهای قارچ‌مانند در آزاد کردن انرژی انباشته سازگاری پیدا کرده‌اند. آن‌ها با شکاف‌های بسیار ریزی مانند منافذ کوچک و فضاهای بین هر کلاهک قارچ پر شده‌اند و این حفره‌ها انرژی ناشی از کشش را جذب می‌کنند و دم را سالم نگه می‌دارند.

درحالی‌که این ریزساختارها می‌توانند کشش را تحمل کنند، نسبت‌ به شکستن ناشی از پیچش آسیب‌پذیر هستند. طبق محاسبات پژوهشگران، احتمال شکستگی دم‌ بر‌ اثر خم‌شدن ۱۷ برابر بیشتر از زمان کشیده‌ شدن بود. در فیلم‌های با حرکت آهسته دیده می‌شد که مارمولک‌ها دم خود را می‌پیچاندند تا آن‌ را در امتداد دو صفحه شکست به دو قسمت جدا کنند.

نقاط اتصال دوشاخه و پریز یا صفحات شکست، بین هر قطعه از دم مارمولک (یکی از آن‌ها درون دایره نشان داده شده است) نقاط ضعیفی هستند که در‌ برابر شکستگی‌های ناگهانی آسیب‌پذیر هستند. مارمولک‌هایی که توانایی انداختن دم خود را دارند، ساختار پیچیده‌ای از ویژگی‌های میکروسکوپی را حاصل کرده‌اند که به دم آن‌ها کمک می‌کند تا در جریان تکان‌ها و حرکات جزئی در جای خود بماند.

هر قطعه در امتداد دم مارمولک حاوی هشت دسته مخروطی‌شکل از ماهیچه‌ها (سمت چپ) است که مانند دوشاخه‌ای برای پریز عمل می‌کنند. بزرگ‌نمایی زبانه، صحنه‌ای از ریزستون‌های قارچ‌مانند را آشکار می‌کند که پر از حفره‌های ریز است (راست).

پژوهشگران همچنین متوجه فرورفتگی‌های بسیار سطحی در دیواره‌های داخلی سوکت شدند که مانند انگشتانی که به‌آرامی خاک رس را فشار داده باشد، توسط ریزستون‌های زبانه برجای مانده بود. این امر موجب تعجب آن‌ها شد: پژوهشگران انتظار داشتند ریزستون‌ها به‌طورکامل در سوکت قفل شوند؛ اما ریزستون‌ها هیچ‌گونه اتصال اضافه‌ای فراهم نمی‌کردند که دم را محکم به بدن مارمولک متصل کند.

پژوهشگران با مشکوک شدن به این موضوع که ریزستون‌ها باید نقش دیگری داشته باشند، با استفاده از پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (ماده لاستیکی گوشت‌مانند)، مدلی از دم مارمولک را ساختند تا جدا شدن آن از بدن را شبیه‌سازی کنند. این کار به پژوهشگران اجازه داد تا نیروهایی را که حین قطع دم نقش دارند، بررسی کنند. آن‌ها دریافتند که شکاف‌های عمیق بین ریزستون‌ها، همراه با گودی‌های کوچک‌تر روی سطوح ریزستون‌ها، سرعت گسترش و انتشار شکستگی اولیه را کند می‌کند.

برای متصل ماندن قطعات دم به یکدیگر، زبانه‌ها در سوکت‌های مربوطه قرار می‌گیرند (مانند فرورفتگی سایه‌وار در بالای تصویر سمت چپ). دیواره‌های داخلی سوکت‌ها (نمای نزدیک که سمت راست نشان داده شده است) نسبتاً صاف و دارای فرورفتگی‌های سطحی هستند که در آنجا ریزستون‌های قارچی‌شکل به دیواره‌ها فشار می‌آورند. این ساختارها نشان می‌دهد ریزستون‌ها با دیواره‌های سوکت در هم قفل نمی‌شوند، بنابراین در گرفتن زبانه نقشی ندارند.

سونگ می‌گوید: «اگر شکافی ایجاد شود و به منفذی برسد که یک فضای خالی است، آن شکاف متوقف می‌شود و انرژی خود را برای انتشار از دست می‌دهد. به‌عبارت‌دیگر، شروع یک شکستگی را می‌توان در مسیرش متوقف کرد.»

هر فرورفتگی و شیار کمک می‌کند: میزان چسبندگی ریزستون‌های دارای منافذ کوچک نسبت‌ به زبانه‌های صاف بدون ریزستون، ۱۵ برابر و نسبت‌ به ریزستون‌های بدون منافذ ریز، اندکی بیشتر بود.

به‌گفته‌ی انیمنگسو گاتاک، مهندس شیمی در مؤسسه فناوری کان‌پور هند، مکانیک زیستی دم این مارمولک‌ها یادآور ریزساختارهای چسبنده‌ای است که روی انگشتان چسبناک گکوها و قورباغه‌های درختی دیده می‌شود. دکتر گاتاک که در مطالعه شرکت نداشت، گفت: «این باید تعادل مناسب بین چسبندگی و جدا شدن باشد، زیرا به این حیوانات اجازه می‌دهد که از سطح شیب‌دار بالا بروند.» وی افزود: پاهای این جانوران با میلیاردها موی ریز پوشیده شده بود که خودشان از کلاهک‌های قارچ‌مانندی تشکیل شده بودند.

پژوهشگران بر این باورند که درک فرایندی که به مارمولک‌ها اجازه می‌دهد تا دم خود را دور بیندازند، می‌تواند کاربردهایی در‌ زمینه‌ی اتصال اندام‌های مصنوعی، پیوند پوست یا بانداژ داشته باشد و حتی ممکن است به ربات‌ها کمک کند تا قطعات شکسته خود را دور بیندازند.

با‌این‌حال، دکتر سونگ بیشتر هیجان‌زده است که در نهایت درک کند که این موجودات در محوطه دانشگاه چگونه از شکارچیان فرار می‌کنند. او گفت: «این پروژه ناشی از کنجکاوی بود. ما فقط می‌خواستیم بدانیم که چگونه مارمولک‌های اطراف ما با این سرعت دم خود را می‌اندازند.»

یافته‌های این مطالعه در مجله‌ی Science منتشر شده است.