“שלושה המה נפלאו ממני וארבעה לא ידעתים: דרך הנשר בשמיים, דרך נחש עלי צור, דרך אונייה בלב ים ודרך גבר בעלמה”, נאמר בספר משלי. כמה מאות עמודים קודם לכן, בסיפור הבריאה התנ”כי, כבר פגשנו את הנחש ואת דרכיו הנסתרות. גם כעת, אלפי שנים אחרי שהמילים הללו עלו לראשונה על הכתב, החיה המסתורית והמוזרה הזאת, שאנו מייחסים לה ערמומיות וחלקלקות, עדיין מרתקת אותנו. וכיום העניין בתנועה הפתלתלה של הנחש כבר לא מוגבל לזואולוגים בלבד: גם פיזיקאים, שמבקשים ללמוד דבר או שניים על תנועה של מערכות מורכבות, מנסים לפענח את צפונותיו.
קרב בין שני נחשי צפע בחוף הכרמל
(צילום: שחף רטר, החברה להגנת הטבע)
מאמר חדש שראה לאחרונה אור בכתב העת Interface, השייך לחברה המלכותית הבריטית, מתחקה אחר הדרכים המתוחכמות שמאפשרות לנחש להזדקף ולגבור על כוח הכבידה, אף על פי שאין לו כלל גפיים. החוקרים, בראשות הביופיזיקאי לקשמינראיאנאן מהדבן (Mahadevan) מאוניברסיטת הרווארד, גורסים כי הנחש משקיע את רוב מאמציו בשמירה על יציבות, ולאו דווקא בעצם ההזדקפות ממצב שכיבה.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
כשמערכת החיסון שוכחת
מחלות ללא גבולות: אזהרת כלבת ברכבת
לשבור את מחסום הקול – בשקט
משימה מאתגרת
ראשית ביקשו החוקרים לבדוק בפועל איך שני מינים של נחשים בעלי יכולות טיפוס מזדקפים: נחש העצים החום (Boiga irregularis) ופיתון שיחים צעיר (Simalia amethistina), שאורכם הממוצע כמטר. במהלך הניסויים הוצבו הנחשים על מדף נמוך והחוקרים עודדו אותם להזדקף לעבר מדף גבוה, שהורם בהדרגה מגובה של שלושים סנטימטר לשמונים סנטימטר. שני המינים עמדו בהצלחה רבה במשימת העמידה, כך שרוב גופם התנופף איתן באוויר בכוח שריריהם בלבד. השרירים ששיחקו תפקיד עיקרי היו השרירים השדרתיים והשדרתיים למחצה, שפרוסים לאורך גבו של הנחש.
כמקובל בחקר הפיזיקה של מערכות מורכבות, ובפיזיקה ביולוגית בפרט, בנו החוקרים “סיב אלסטי פעיל” (Active Elastic Filament) – מודל מופשט של צורת הנחש – ובדקו באמצעותו שתי דרכי ההזדקפות. הראשונה מבוססת על מערכת המשוב החושי שבאמצעותה יצורים חיים חשים את תנוחת גופם וצורתו ומגיבים לה (משוב פְּרוֹפְּרִיוֹצֶפְּטִיבי). המודל הפשוט ביותר של משוב פרופריוצפטיבי הוא משוב מקומי, שבמקרה של הנחש מתבטא בכך שהוא מתאים את הפעלת השרירים בכל מקום בגופו בהתאם למידת העקמומיות במקום הזה. כלומר אם הנחש חש שהוא עקום מדי במקום מסוים, הוא יקשיח שם את שריריו ומידת ההזדקפות במקום הזה תשתפר.
הדרך השנייה שנבדקה מבוססת על בקרה אופטימלית – שיטת פעולה מתוחכמת יותר, שדורשת מהנחש לסנכרן יחד מערכות רבות. אפשר לומר שמדובר בגישה פיזיקלית יותר, שכן היא מסתכלת על הנחש במבט רחב ומניחה שהוא יודע לתת פתרון לבעיה מכנית. “יודע” זו כמובן רק לשון השאלה, שכן מדובר במנגנונים אבולוציוניים שהוטמעו בו במשך דורות רבים. לפי הגישה הזאת, הנחש לא רק מגיב למידת העקמומיות הנקודתית לאורך גופו, אלא פועל כך שיצטרך להשקיע כמה שפחות אנרגיה בשמירה על היציבות שלו. על כן תנועת השרירים במקום מסוים תושפע לא רק מתנוחת הגוף במקום הזה אלא גם ממקומות אחרים בגוף הנחשי. באופן לא מפתיע, השיטה הזאת מנצלת אנרגיה בצורה יעילה יותר, ולכן החוקרים טוענים שבמהלך האבולוציה הנחשים יתפתחו להשתמש בה.
הדרך הראשונה פשוטה הרבה יותר: היא מבוססת על תגובה מקומית של שרירי הנחש לשינויים בעקמומיות גופו, שיוצרת מעין תגובת שרשרת של תיקונים ותיקונים לתיקונים. לעומת זאת, הדרך השנייה לא מסתפקת בתגובות מקומיות של שרירי הגוף, אלא מנהלת את גופו של הנחש כשלם אחד וכך מאפשרת לו לבצע את פעולת ההזדקפות עם השקעה מינימלית של אנרגיה והשגת יציבות מקסימלית. שתי השיטות אפשריות, אך ללא מחקרים ביולוגיים נוספים, לא נוכל לדעת אם הנחש משתמש באחת מהן, בשילוב של שתיהן, או אולי מערב מערכות נוספות.
3 צפייה בגלריה
במהלך הניסויים הוצבו הנחשים על מדף נמוך והחוקרים עודדו אותם להזדקף לעבר מדף גבוה. אחד הנחשים מזדקף
(צילום: Bruce Jayne, מתוך המחקר)
נחש כמטאטא
מהממצאים עולה, באופן מפתיע, שככל שהנחש מזדקף גבוה יותר, המאמץ הנדרש משריריו דווקא פוחת. הוא מצליח לנצל היטב את כוח הכבידה כדי לשמר את צורתו הזקופה, במקום להיאבק בו. לשם כך הוא מבצע תנודות קטנות ואיטיות שהחוקרים מדמים לייצוב של מטוטלת הפוכה. אנחנו נשווה את זה לניסיון לייצב מקל של מטאטא על קצה האצבע. בשני המקרים מדובר בשמירה על שיווי משקל בלתי יציב.
שתי שיטות ההזדקפות מובילות בהצלחה לצורת S אופיינית קרוב לבסיס גופו של הנחש, שם מתרכז חלק ניכר מהמאמץ שמפעילים שריריו. החוקרים מכנים את האזור הזה שכבת גבול, מכיוון שהוא משמש חיץ בין שתי התנהגויות מכניות שונות: הפעלת מאמץ גבוה של השרירים בתחתית, ומאמץ נמוך שלהם מעל החיץ, שכן האזור שבו הנחש כבר הזדקף דורש פחות פחות הפעלה של כוח.
מעבר לסוגיית הנחשים, למה כל זה רלוונטי? כמו חלקים מסוימים מענף הפיזיקה הביולוגית, גם המחקר הזה נועד לקדם את היישום של עקרונות פיזיקליים מעולם הטבע לתחומי ההנדסה והטכנולוגיה. לדברי החוקרים, הבנת ההתנהגות של הנחש תוכל לסייע לתכנון רובוטים רכים ומכשור רפואי מתקדם, כגון אנדוסקופים – צינורות דקים עם מצלמה זעירה בקצה, שמאפשרים לרופאים לצפות בחללים פנימיים בגוף – שיוכלו לנווט ביציבות ובקלות רבה יותר בתוך גוף האדם. קל לנחש שבניגוד לסיפור גן עדן, הפעם דווקא הנחש היה כועס עלינו, לו גילה ששוב טעמנו מפרי עץ הדעת.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
