אורגניזם החודש: מסנן קרינת השמש של אלמוגים

מאת: אופיר מרום

והפעם באורגניזם החודש, למה משתמשים אלמוגים בצבעיהם הסגולים-ורודים כדי לסנן את קרינת השמש, ואיך הם עושים זאת?

מינים רבים של אלמוגים תלויים למחייתם בזואוקסנטלות, אצות חד תאיות. הזואוקסנטלות מבצעות פוטוסינתזה באמצעות פיגמנטים קולטי אור, ובכך מנטרלות את החומצה הפחמתית אותה מפריש האלמוג, מספקות לו חומרי הזנה ומקנות לו את צבעו. עם זאת, במים הרדודים של שוניות אלמוגים, רמות אור נוטות להיות גבוהות מהנדרש, ולכן באופן פרדוקסלי, אור השמש החיוני יכול להזיק לאצות ולמארחיהן. בגלל הקשר הסימביוטי, מוות של הזואוקסנטלות גורם למעשה להלבנת האלמוג ולמותו ברעב. לאחרונה מצאו חוקרים מאוניברסיטת סאות'המפטון עדויות ניסיוניות לאופן שבו מתמודדים האלמוגים עם הבעיה.

   תמונה מאת  Peter Southwood  תחת רישיון  CC Attribution-Share Alike 3.0

במחקר נבדקה השפעת הצבעים הוורודים-סגולים שאופייניים לסוגים שונים של אלמוגים. לשם כך, בודדו החוקרים את הכרומו-פרוטאינים, אותו חלבון שאחראי ליצירת הצבע באלמוגים. בדיקות מעבדה הוכיחו את מה ששיערו החוקרים. הכרומו-פרוטאינים, שיוצרים את שלל הצבעים האקזוטיים בשוניות האלמוגים, משמשים למעשה כמסנני קרינה וכהגנה על האצות, בכך שהם "בולעים" חלק מהאור המזיק. החוקרים גם הציעו הסבר לתופעה המסתורית, שבה חלק מהאלמוגים צוברים כמויות גבוהות במיוחד של הכרומו-פרוטאינים באזורי גידול, כגון קצוות הענפים, או באזור של ריפוי פצעים. לטענתם, באזורים אלה עדיין לא התיישבו אצות, ולכן האור מוחזר בעוצמה רבה מהדפנות הלבנות של שלד האלמוג. העוצמה הגבוהה של האור מונעת למעשה מהאצה להתיישב באותו מקום. לכן, נראה שאלמוג משתמש בטריק מתוחכם כדי לפתור את המצב הזה. עוצמת האור הגבוהה משפעלת גנים שאחראים על ייצור הכרומו-פרוטאינים, מסנני הקרינה. לאחר שהאצות מאכלסות את המקום החדש, ומתחילות לצרוך את אור השמש בעצמן לטובת תהליך הפוטוסינתזה, מפסיק האלמוג לייצר כרומו-פרוטאינים, וכך חוסך באנרגיה הדרושה להמשך התרבותו.

המחקר תורם להבנת מנגנון ההתמודדות של האלמוגים עם עקה סביבתית, אך הוא יכול, כמובן, להוות השראה ליישומים ביומימטיים כמו קצירה דינאמית של אנרגיית השמש, או עבור חיישנים ביולוגים. מה אתם הייתם מציעים?

למקור הידיעה

נחיל בכבישים

מאת: רעות מנשה

יישום עקרונות הנגזרים מהתנהגות נחילים בטבע במערכות מרובות סוכנים דוגמת מערכת הכבישים, מהווה מקור לקידום בטיחות ויעילות בכבישים.
אלברט איינשטיין אמר פעם שארבע שנים לאחר שהדבורים ייעלמו מהעולם, ייעלמו ממנו גם בני האדם. למה חשובה כל כך הדבורה בעולם שלנו? הדבר הראשון שעולה במוחכם הוא בוודאי דבש. הדבש חשוב וטעים אבל זו אינה הסיבה היחידה למה הדבורה כל כך חשובה. מעבר לתפקידן של הדבורים בהאבקה (בהערכה גסה, לביס אחד מכל שלושה הבא לפינו אחראית באופן כלשהו הדבורה), מסתבר שהדבורים יכולות ללמד אותנו גם על תנועה ותחבורה.
תחבורה נמצאת במקום השני בארה"ב ברשימת הוצאות משק הבית, 18 אחוז מתקציב משק הבית מושקע בתחבורה. 13 מיליוני גלונים של שמן נצרכים מדי יום בעלות של בערך 1 ביליון דולר. המון חידושים מפותחים על מנת לתת פתרון לבעיית האנרגיה שהתחבורה צורכת: דלקים אלטרנטיביים, שלדות רכב קלות וחזקות יותר ועוד. פתרון אחד קיבל השראה ישירה מהטבע, ובשמו: נחיל האינטליגנציה. מדובר בתופעה שתוכלו לצפות בה גם בלהקות ציפורים, להקות דגים או נחילי דבורים, אם הם קרובים למקום מגוריכם. למרות אין ספור של פיתולים, סיבובים וצלילות, להקות אלה נעות כמקשה אחת, כאשר הפרטים בלהקה אינם מתנגשים זה בזה. מנגנון זה עתיד לצמצם יום אחד את מספר התאונות והאבידות בכבישים, וכל זאת מבלי להזכיר את החיסכון בזמן.

                     תמונה מאת Fir0002 תחת רישיון CC  Attribution-Share Alike 3.0

מחקרים רבים נעשו על להקות ציפורים, והתגלה כי בלהקת ציפורים אחת יש שלוש ציפורים אקטיביות, הלוקחות על עצמן את התפקידים הפונקציונאליים הבאים: יישור הלהקה, הפרדה בין היחידים והתלכדות. כל ציפור מנווטת לכיוון הטיסה הממוצע של הלהקה ותוך כך נשארת במרחק בטוח משכנותיה ומנווטת בממוצע כללי על פיהן. זוהי דוגמא למה שמכונה על ידי החוקרים: "התנהגות מתהווה".
בעולם החי, נחשבים החרקים (נמלים, דבורים, צרעות וטרמיטים) כמאסטרים בהתנהגות זו. כאשר הנמלה מחפשת מזון, היא משאירה אחריה שובל של הורמון הנקרא פרומון, אותו הורמון האחראי בין היתר על התקשורת ועל המשיכה המינית. כל נמלה אחרת המחפשת אחר מזון חוזרת במורד שביל ההורמונים החזק ביותר (המטוייל ביותר), מוצאת את האוכל וסוחבת אותו ביעילות ובחריצות בחזרה לקן.
בעולם הטכנולוגי, אנו יכולים לראות מערכת התנהגותית דומה, הנקראת לעיתים "מערכת מרובת סוכנים", בה נעשה שימוש במגוון הרחב של מערכות מידע, העושות שימוש בעקרונות אלו: העברת מידע, ניתוב מנות מידע במערכות טלקומוניקציה, העברת אנרגיה ברשתות הכוח, חיפושים באינטרנט, העדפות הצרכנים ומערכות לניבוי שוק - כולן שופרו על ידי מודלים אלו.
מערכת הכבישים המהירה שלנו היא דוגמא בסיסית למערכת שניתן ליישם עליה את מערכת העקרונות המבוססת ריבוי סוכנים. שינוי בתזמון ובמרווח המכוניות על הכביש מבלי לגעת בכלל במערכות החשמל שלהן יכול להוביל לשיפור בכ – 33% בצריכת האנרגיה של נהגים עירוניים. יותר טוב ממכוניות היברידיות.
חברת וולוו התחייבה לייצר מכונית חסינת פגיעות עד 2020, והמהנדסים שלהם לומדים את הרגלי התעופה של הארבה על מנת להשיג תובנות כיצד עושים זאת. הארבה עף בקבוצות של מיליונים ללא התנגשויות בזכות הרשת העצבית שלהם, ששולחת הודעה חזותית לכנפיהם לצרכי כוונון מיידי.
שיפורים אלה הם חלק ממגמה כלל עולמית של פיתוח מכוניות יעילות וחכמות יותר. האם התנהגות הנחילים תסייע לנו במשימה זו?

למקור הידיעה

ביומימיקרי- מבט עדכני על התפתחות התחום

מאת: דפנה חיים לנגפורד

מחקר שנערך באוניברסיטת שפילד בבריטניה חקר את השפעת תחום הביומימטיקה על עולם ההנדסה, באמצעות סקירת מאגרי נתונים שונים. מהמחקר עולה כי התחום צמח בשני העשורים האחרונים מכ - 100 מאמרים בשנה, בשנות התשעים של המאה שעברה, לכמה אלפים בשנים האחרונות.

תחום הביומימטיקה הינו מעבר של מידע ממערכות ביולוגיות למערכות הנדסיות, תוך מינוף מיליוני שנות התפתחות והתאמה של מערכות טבעיות באמצעות ברירה טבעית. שימוש בידע ביולוגי הוביל לפיתוחים חדשניים ופורצי דרך בתחומים רבים, מרובוטיקה ואלגוריתמיקה ועד הנדסת חומרים וארכיטקטורה. יש להדגיש, כי ביומימטיקה אינה חיקוי של המודל הביולוגי כי אם חיקוי הפונקציה הביולוגית והמרתה לפונקציה הנדסית.
בשנים האחרונות אנו עדים לפיתוחן של טכנולוגיות ביומימטיות פורצות דרך, שאת השפעתן על החברה והכלכלה נראה בשנים הקרובות. קרנות מימון בינלאומיות שונות מתחילות לפעול בתחום ולקדם אותו (גם בארץ, חרתה קרן קסניה ון-ליר על דגלה את ההחלטה להשקיע בטכנולוגיות ביומימטיות).
מטרתו של המחקר הנדון ליצור מאגר מידע, שיאפשר הבנה סטטיסטית של התפתחות תחום הביומימטיקה. המחקר נותן מענה לארבע שאלות, תוך שימוש במאגרי נתונים של פרסומים מדעיים בתחומי ההנדסה ובתחומים נוספים: (1) היכן ניתן למצוא פרסומים בתחום הביומימטי,   (2) באיזו מהירות התחום גדל (3) באיזו נושאים התחום מטפל ו - (4) האם קיימות קבוצות מחקר בתחום.
על מנת לבנות מאגר נתונים גדול ואיכותי ככל הניתן, בחנו החוקרים את הופעת המושג ביומימטיקה בצורות שונות בכתבי עת ובכנסים הנדסיים. שיטת מחקר זו לא כוללת מחקרים שהמונח ביומימטיקה ונגזרותיו לא הופיעו בהם.
מניתוח הנתונים עולה:

 (1) מתוך כ- 18,000 עבודות שפורסמו בתקופת המחקר, כ -11,000 פורסמו בכתבי עת והשאר בפרסומים של כנסים. ב- 1,925 כתבי ועת ו- 1,545 כנסים היה לפחות אזכור אחד לתחום. כתבי העת המובילים במספר פרסומים בתחום הם: Biomaterials, Bioinspiration and Biomimetics ו-Journal of biomedical materials research 

(2) עוד נמצא מניתוח הנתונים כי בעשור האחרון, כל שנתיים - שלוש שנים מכפיל עצמו מספר הפרסומים בתחום, והתחום כולו נמצא בצמיחה מהירה בכל הנוגע לפרסומים בכתבי עת וכנסים.
(3) התחומים הנפוצים ביותר בקרב 18,000 המאמרים שנכללו במחקר הם רובוטיקה, בקרה וחומרים.
(4) בשנים האחרונות מתגבשות קבוצות עבודה בינלאומיות בתחומי המחקר המובילים, ואפשר לראות ניצנים לקהילה מדעית ספציפית לתחום.

מאחר שלא כלולים במחקר מאמרים שלא כללו את המונח ביומימטיקה ואת נגזרותיו, על אף חשיבות המחקר להבנת התפתחות הדיסיפלינה, התמונה העולה ממנו בשלב זה חלקית בלבד.

מגמת ההתפתחות המתוארת במאמר זה באה לידי ביטוי גם בהתפתחות התחום בישראל. הענין האקדמי והעסקי בתחום בא לידי ביטוי בכנסים אקדמיים, בהקמת חממה ביומימטית ובפיתוח תוכניות לימוד וקורסים, דוגמת הקורס שעתיד להיפתח באפריל 2013.

קישור למאמר

חדש(נ)ות מהטבע ינואר 2013

קוראים יקרים שלום,

את הגיליון הזה של חדשנות מהטבע אנו פותחים בתאור רובוטים מוליכי שולל. מסתבר שהתנהגות מוליכת שולל מקנה יתרון הישרדותי לבעלי חיים (ביניהם האדם) ומייעלת תפקודן של מערכות רובוטיות. עוד בגיליון זה על דבקים בהשראת הצדפה ועל הדורבן בשירות הרפואה, ניסיון לפתח רובוט מהיר כצ'יטה וצורת תנועה חדשה במאדים, בהשראת צמח העשב המתגלגל.

בחודש מרץ יתקיים כנס ה- ECOWEEK בישראל. לראשונה לוקח ארגון הביומימיקרי הישראלי חלק בכנס ומלווה פיתוח של פרויקט אדריכלי ביומימטי. אתם מוזמנים להצטרף לכנס ולתרום להקמת תשתיות ירוקות יותר בארץ.

שיתוף פעולה בין ארגון הביומימיקרי הישראלי לבין המכון הטכנולוגי חולון הניב את כנס היסוד לביומימיקרי שיתקיים באפריל השנה. להלן קול קורא לכנס.

הקורס "ביומימיקרי- חדשנות סביבתית בהשראת הטבע" יוצא לדרך. הקורס מיועד למתכננים, למהנדסים, לאדריכלים, לביולוגיים, ולאנשי ניהול והוראה, המעוניינים לשלב חשיבה ביומימטית וכלים ביומימטיים בעבודתם. לפרטים והרשמה.

 בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

רובוטים מוליכי שולל

מאת: אופיר מרום

רובוטים המסוגלים לרמות זה את זה פותחו בהשראת דפוסי התנהגות של סנאים ושל ציפורים.

האם רובוטים יכולים לרמות? יכולת ההונאה היא תכונה משותפת וחיונית להישרדותם של יצורים רבים, מהקטנים שבחרקים ועד לבני האדם. אנו מניחים כי לצורך שילובם של רובוטים אינטליגנטיים יותר בחברה האנושית, אנחנו חייבים לפתח רובוטים שיודעים להבין, להגיב ולהתנהג בעצמם באופן מטעה. באוניברסיטת ג'ורג'יה טק, מנסים פרופסור רונלד ארקין (Ronald Arkin) וקבוצתו ללמד את הרובוטים שלהם מגוון טכניקות הונאה שבהן משתמשים בעלי חיים שונים.

לדוגמא, הסנאי האפור המזרחי שאוגר את מזונו במספר מקומות מחבוא. כשהוא לא אוסף מזון נוסף נוהג הסנאי לפטרל בין מקומות המסתור ולבדוק אם התגלו. כאשר מזהה הסנאי שיש בגזרתו סנאי נוסף שעשוי לחמוד את מטמונו הוא מנסה לבלבל אותו על ידי כך שהוא משנה את מסלול הפטרול שלו, ומתחיל לבקר במקומות מסתור מפוברקים. על בסיס מחקרים שניתחו את התנהגות הסנאי בנו החוקרים אלגוריתם ממוחשב, שיכול לשמש רובוטים שתפקידם הוא לפטרל ולשמור על משאבים שונים. סימולציות ראשוניות הראו שהרובוטים בעלי יכולת ההונאה אכן פעלו ביעילות ובצורה טובה יותר מרובוטים ללא יכולת זאת.

מקור השראה נוסף להתנהגות מטעה נמצא בהתנהגות הזנבן הערבי (שם מדעי: Turdoides squamiceps) . ציפור זאת, אשר נפוצה בארץ והייתה נושא למחקר רב, חיה בקהילה שבה לכל פרט יש מקום בהיררכיה החברתית. כאשר זנבן צופה מטעם הלהקה מזהה איום של ציפור טרף החודרת למרחב המחיה היא מזעיקה את שאר הלהקה. פרטים מתוך הלהקה מתאגדים ועפים כקבוצה לקראת ציפור הטרף במטרה להבריחה. לכאורה, מדובר בהתנהגות אלטרואיסטית, שכן ציפור הטרף גדולה וחזקה מכל אחד מחברי הלהקה בנפרד. על בסיס תצפיות אלה ניסח הזואולוג הישראלי המפורסם אמוץ זהבי את עקרון ההכבדה, על פיו כאשר חיה מוותרת על יתרון בשביל לאותת מסר לחיה יריבה - המסר חייב להיות אמיתי. מנגד, הוכיח המדען אלן גרפין, על פי מודל שפיתח, שיכולה להיות רמה מסוימת של הונאה שבה המערכת עדיין תישאר יציבה. עבור הזנבנים, הנחותים פיזית מציפור הטרף, התקרבות יתרה אליה תהווה הונאה, מכיוון שפעולה זאת מתפרשת ככזאת שתעשה רק במצב של שוויון כוחות. במקרה הזה, יאלץ הזנבן חסר המזל לשלם בחייו אם ההונאה תיחשף. החוקרים יצרו מודל המתאר את תכונות ההתקהלות של הזנבנים לצורך הדיפת האיום, ובדקו באילו מצבים ניתן להשיג יתרון בעזרת הונאה. סימולציות ממוחשבות נתנו תוצאות מעורבות. בהתקהלות של מספר פריטים מסוים ומעלה היה להונאה יתרון, ואף רובוט-זנבן לא הותקף. מתחת למספר זה, בזכות אסטרטגיה של כנות, היה מספר הנפגעים הקטן ביותר שנצפה.

יכולת ההונאה מאפשרת להתעלות מעבר למגבלות הפיזיות, ולהשיג יתרון על היריב. באופן טבעי, ניתן יהיה להשתמש ברובוטים בעלי יכולת זו לביצוע משימות ביטחוניות בשדה הקרב, אך גם למצוא להם שימושים אחרים, כגון בתחום הבריאות וגם כאמצעי הוראה. החוקרים מתכננים להמשיך ולשכלל את האלגוריתמים, כך שיאפשרו לבחון את יכולת התגובה האופטימלית של הרובוטים לתרחישים מורכבים יותר מאלה שנבדקו עד כה. הוספת יכולות הטעיה/מרמה לרובוטים מובילה לשאלות אתיות, כגון האם זה אתי שרובוטים יוכלו לרמות בני אדם לכל מטרה? הנושא נדרש לדיון ציבורי נרחב, שהחוקרים מעודדים לקיים.

למקור הידיעה