ما هو المشترك بين قوقعة الرخويات وكابلات الألياف الضوئية

وجد العلماء أن النوافذ الصغيرة في أصداف قلب الكوكلي تسمح بتدفق أكثر من ضعف كمية ضوء الشمس المفيد إلى داخلها مقارنة بالإشعاع فوق البنفسجي الضار.

رويكي لي/داكوتا مكوي


إخفاء التسمية التوضيحية

تبديل التسمية التوضيحية

رويكي لي/داكوتا مكوي

تعتبر الشعاب المرجانية الصحية ملونة ومليئة بالحياة. وتحت الظروف العادية، تعتمد الشعاب المرجانية والطحالب على بعضها البعض. توفر الشعاب المرجانية الحماية للطحالب، بينما توفر الطحالب التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي للشعاب المرجانية المكونات التي تحتاجها لصنع البروتينات والسكريات. ومع ارتفاع درجة حرارة المياه، غالبًا ما تتعرض الشعاب المرجانية للتبييض، مما يعني أنها تطرد الطحالب.

“تبدو الشعاب المرجانية بيضاء أو أحيانًا سوداء لأنها ماتت”، يقول داكوتا مكوي، عالمة أحياء في جامعة شيكاغو. “لا يوجد سمك حولها. التنوع البيولوجي أقل بكثير.”

ومع ذلك، “إذا قمت بالغوص باستخدام أنبوب التنفس فوق الشعاب بعد موجة حر، فإن الحيوانات الأخرى لا تزال تبدو صحية”، يقول مكوي. “لا تزال تحتوي على طحالبها على عكس الشعاب المرجانية. يبدو أنه يتطلب المزيد لجعلها تتعرض للتبييض. لذا فإن ذلك يعد لغزًا بيولوجيًا غريبًا.”

<>

تشمل هذه المخلوقات التي تبدو صحية نوعًا من الرخويات يشبه المحار يسمى قلب المحار – الاسم يأتي من شكل قوقعته. “هذه المحارات الغريبة صغيرة الحجم أقوى قليلاً من الشعاب المرجانية”، تقول مكوي، “على الرغم من أنها تستضيف نفس نوع الطحالب داخل خلاياها التي تستضيفها الشعاب المرجانية.”

أرادت مكوي أن تعرف لماذا قد يكون ذلك. في ورقة نشرت في Nature Communications، توصلت هي وزملاؤها إلى أن هيكل قوقعة قلب المحار يعمل كنوع خاص من كابلات الألياف الضوئية لتوجيه الضوء إلى الطحالب التي تعيش داخلها. إنها نتيجة قد يكون لها تداعيات في مجالات الهندسة والحفاظ على البيئة.

زجاج ملون مصغر

بدأت ماكوي وزملاؤها تحقيقهم من خلال تسليط أضواء LED عبر قلوب الصدف. “في العديد من الأصداف، هناك مثلثات صغيرة حيث يمر الضوء. في بعض الأصداف، يبدو الأمر أكثر مثل خطوط زيبرا كبيرة. بعض الأصداف تبدو كالنوافذ الزجاجية الملونة. لذا هناك مادة لكن الضوء يتخللها.”

كانت ترغب في معرفة كيف تجعل قلوب الصدف أصدافها شفافة لتوصيل الضوء إلى سكانها من الطحالب الذين يعتمدون عليه. “هل يفعلون شيئًا أكثر إثارة من مجرد السماح للضوء بالمرور؟”، تساءلت. لذا جمعت بعض الأصداف من متحف ييل بيبودي للتاريخ الطبيعي وجامع عبر الإنترنت لمزيد من الفحص.

أداة تسمى مقياس الطيف الضوئي، “يمكن أن تقيس أي لون من الضوء يمر عبر قطعة صغيرة من الصدفة معلقة في مياه البحر من خلال مسح كل طول موجي من الضوء من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء،” تشرح ماكوي.

<>

وجدت هي وزملاؤها أن النوافذ الصغيرة في قواقع القلب تسمح بتدفق أكثر من ضعف كمية الضوء المفيد إلى داخلها مقارنة بالإشعاع فوق البنفسجي الضار.

بالإضافة إلى ذلك، يمتلك بعض الأفراد عدسات معدنية تحت نوافذهم الصغيرة. “ما يبدو أنهم يفعلونه هو تكثيف الضوء إلى شعاع بحيث يضيء بعمق أكبر في الأنسجة الغنية بالطحالب التي تقوم بجميع عمليات التمثيل الضوئي”، كما يقول مكوي.

قد تعمل العدسة أيضًا على نشر الضوء “لذلك لن تحرق في الواقع [طحالبك] أو تتعرض لزيادة شدة الضوء”، كما تقول الفيزيائية في جامعة ستانفورد <> جينيفر ديون <>, التي تعاونت مع مكوي.

الألياف الضوئية الطبيعية

نظر مكوي وديون عن كثب في بنية القشرة. كانوا يعلمون أنها مصنوعة من نوع من كربونات الكالسيوم، الأراجونيت، وهو معدن يكون عادة غير شفاف في هياكل الشعاب المرجانية أو قشور المحار الأخرى. عندما يتم فحص هذه الهياكل تحت المجهر، يقول مكوي: “ترى الكثير من الألواح الكبيرة التي تتشابك معًا وغالبًا ما تكون مرتبة بطريقة قوية تشبه الطوب.”

ولكن عندما استخدمت مجهرًا إلكترونيًا لدراسة التركيب المعدني لقشرة القلب، كانت بلورات كربونات الكالسيوم منظمة في ألياف طويلة وضيقة جدًا “كانت جميعها موجهة في نفس الاتجاه الذي يحتاج إليه ضوء الشمس للدخول إلى القشرة”، كما تقول.

رأت ديون على الفور شيئًا مألوفًا. “ها هو كائن طبيعي يقوم بتوجيه الضوء أساسًا عبر حزم الألياف الضوئية الخاصة به لمساعدة المتعايشين معه على harness ضوء الشمس”، كما تقول. “أعتقد أنه قد يكون واحدًا من أول الأمثلة في الطبيعة.”

<>

يقول الباحثون إن هذا الهيكل قد يلهم كاميرات صغيرة ذات عدسات دقيقة، أو حتى يُحسن من تكنولوجيا كابلات الألياف الضوئية. “أعتقد أن هناك الكثير مما يمكننا تعلمه عن كيفية تعامل البيولوجيا مع الضوء”، كما تقول ديون.

لم يكن عالم الأحياء الخلوية في جامعة جورجيا مارك فارمر مشاركًا في البحث وكان معجبًا بالورقة. “من الصعب تحقيق توازن بين احتياجات قشرة هيكلية قوية – وهي بالطبع السبب وراء صنع المحار للقشور في المقام الأول – مع نقل الضوء”، كما يقول. “لذا أعتقد أن حقيقة أن المحار قد حَلَّ كلتا المشكلتين بشكل فعال باستخدام هذه الألياف الضوئية هي الاكتشاف الأكثر أهمية.”

يقول المزارع إن النتائج قد تساعد في تفسير سبب تعرض الشعاب المرجانية للتبييض بشكل أكبر من قلوب المحار، وهي ظاهرة triggered by stress. بينما قد تتعرض كلا الكائنين للإجهاد الناتج عن ارتفاع درجات حرارة المحيط، “من خلال القضاء على ذلك الضغط الإضافي من الأشعة فوق البنفسجية، التي يمكن أن تلحق الضرر بالحمض النووي، فإن المحار قد يكون أقل عرضة لنوع الإجهاد الذي يؤدي إلى حدث تبييض”، كما يقول المزارع.

تتفق ماكوي وتعتقد أن هذا الاختلاف يمكن أن يوفر رؤى حول كيفية مساعدة الشعاب المرجانية.

“هل يمكننا التفكير قليلاً أكثر في كيفية إدارة قلوب المحار لبيئة الضوء للطحالب الخاصة بهم وربما استلهام ذلك لتصميم طحالب جديدة أو شعاب مرجانية جديدة – أكثر مرونة بعض الشيء، وأكثر قوة؟” تسأل.

ترى ماكوي في هذه الأصداف أكثر من مليار عام من التطور – ما تسميه “تصميم المنتج الذي صقله الانتقاء الطبيعي”.

<>

“قصة قلب المحار هي قصة رائعة حول كيفية تمكن كائن حي من التلاعب بالضوء كما يفعل العديد من المهندسين البشر،” تقول. “إنها مثال جميل على كائن مستدام يستخدم الطاقة الشمسية بطريقة فعالة للغاية، وذلك بفضل تقنية طبيعية تطورت بشكل مذهل.”