תעלומת הסלסול בטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

מחקר בין-תחומי של חוקרים, מהמחלקה למתמטיקה ופיסיקה באוניברסיטה העברית, חושף את מנגנון הסלסול שבטבע. המחקר פורץ הדרך פורסם לאחרונה בכתב העת המדעי Science.

תנועת זרעים מבוססת לרוב על התכווצות של תאים ועל התנפחותם, תופעות הגורמות לצבירת אנרגיה אלסטית. דיווחנו בעבר על מנגנוני תנועה בזרעים, מנגנונים המונעים על ידי התנפחות של תאים ועל התכווצותם באופן אסימטרי, מנגנונים המאפשרים חדירת זרעי החיטה לאדמה ופתיחת קשקשי האצטרובל.

תנועה ייחודית נוספת היא תנועת הסלסול, המתרחשת בעת פתיחת תרמילי זרעים. מבנים סליליים נפוצים בטבע בתרמילי זרעים, בגבעולי עלים, בצמחים מטפסים, בשיער/פרווה ואף במולקולת ה- DNA. תלמידי הדוקטורט שחף ערמון ואפי אפרתי, בהנחיית פרופ' רז קופרמן מהמחלקה למתמטיקה ופרופ' ערן שרון מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטה העברית, חקרו את המנגנון האחראי להסתלסלות שני צידי תרמיל זרעים בעת פתיחתו.

נמצא, שירידה ברמות הלחות באוויר מפעילה שתי שכבות סיביות מהם עשויים התרמילים, וגורמת לצידיהם להתכווץ בכיוונים הפוכים. שתי שכבות הסיבים, הנמצאות במנח של 45 מעלות לציר האורך המרכזי של התרמיל, מתכווצות בכיוונים מאונכים. כאשר מתכווצות שתי השכבות באופן אנכי זו לזו, מופעל לחץ התעקמות לכיוונים מנוגדים, ונוצרת תנועת סלסול. לדברי פרופ' שרון, "מדובר בדרך גאונית בפשטותה לבניית התרמיל, כך שייפתח בזמן הנכון ויפזר את הזרעים". כך מובטחת הישרדותו של הצמח.

בסרטון המצורף אפשר לראות את תנועת פתיחת התרמיל - - לינק לסרטון

בעקבות גילוי המנגנון נבנה מודל מכאני, המחקה את גיאומטריית תרמיל הזרעים, באמצעות שתי רצועות לטקס דקות ומתוחות שחוברו באופן אנכי זה לזה. נמצא, שהמבנה המחובר התכווץ באופן דומה למבנה תרמיל הזרעים כאשר שוחרר המתח מהרצועות. רצועות אורך שנחתכו ממבנה זה קיבלו קונפיגורציה של סליל. בנוסף, בנתה הדוקטורנטית ערמון מג'ל, שהוא חומר רגיש לשינויי טמפרטורה, חיקוי של התרמיל, ויצרה  רצועת "חומר חכם". בעת חימום משנה הרצועה את צורתה, ממצב שטוח לצורות מסולסלות שונות כגון ברגים, סלילים וצינורות.

מימין: תרמיל בוהיניה פתוח. משמאל: "דגם" עשוי לטקס.

התמונות באדיבות ערן שרון. 

בעקבות מסקנות המודל המכאני פותח מודל תיאורטי, המתבסס על ניסוח חדשני ומופשט של התורה האלסטית. הפשטה זו אפשרה לגלות את הקשר בין תרמילי זרעים למולקולות כימיות. התברר שאותו מנגנון גיאומטרי-מכאני הגורם לפתיחת תרמילי זרעים, אחראי גם להסתלסלות של מולקולות-על, אשר נבנות באופן ספונטני במערכות כימיות וביולוגיות שונות. המדידות שנעשו במחקר זה מספקות לראשונה הסבר לשינויי הצורה שנצפו בעבר במולקולות מסוג זה.

המנגנון הגיאומטרי-מכני שהתגלה במחקר זה הוא חידוש גם בתחום ההנדסה המכנית והנדסת החומרים. הבנת עקרונות הפעולה של מנגנון הסלסול עשויים להוביל ליישומים הנדסיים ביומימיטיים, ולבניית חומרים ביומימיטיים חכמים, שיסתלסלו בתגובה למשתנים חיצוניים. למקור הידיעה