عند تبادل الأفكار حول طرق تحسين حياة الإنسان، غالبًا ما يتطلع المخترعون إلى الطبيعة. توفر الحيوانات والنباتات، التي تطورت على مدى آلاف السنين لتزدهر في بيئاتها، مخططًا ممتازًا للابتكار.
ففي عام 2023، على سبيل المثال، أطلق علماء من الصين وسويسرا لأول مرة رقعة لتوصيل الأدوية تشبه ممصات الأخطبوط . يلتصق الجهاز على شكل كوب الشفط بالجزء الداخلي من خد المريض ويحقن الدواء عن طريق الفم، دون الحاجة إلى إبرة. وبإلهام من خيار البحر الاسفنجي، طور المهندسون روبوتًا مغناطيسيًا متغير الشكل يمكنه أن يسيل عند تسخينه وإعادة تشكيله عندما يبرد. وفي يوم من الأيام، يمكن أن يكون للاختراع تطبيقات طبية، مثل إزالة العناصر الضارة من معدة المريض؛ قد يساعد أيضًا في تجميع الدوائر التي يصعب الوصول إليها أو العمل كمسمار عالمي.
ولكن قبل ظهور أي من هذه الاختراعات، كان على العلماء أولاً أن يتعلموا شيئاً عن العالم الطبيعي. في عام 2023، وصف الباحثون البروتينات الموجودة في سم اليرقة، والأنماط الديناميكية الهوائية في الفراشات الملكية، والمواد العاكسة في عيون القشريات التي يمكن أن تحمل دروسًا للمهندسين. هذه الإنجازات التي تحققت اليوم يمكن أن تلهم تكنولوجيا الغد.
فيما يلي سبعة اكتشافات علمية هذا العام يمكن أن تؤدي إلى اختراعات جديدة:
يرقات الحور الرجراج وثقب الخلايا
من ركوب الطائرة لفترة طويلة إلى الراحة في الفراش بعد الجراحة، يمكن لفترات الجلوس الطويلة أن تؤدي إلى ثني الأوردة، مما يؤدي إلى تجمع الدم وزيادة خطر التجلط أو تجلط الأوردة العميقة . لكن الدببة السباتية تظل ساكنة إلى حد كبير لعدة أشهر متتالية، ولا يصاب هؤلاء السادة الذين لا يمارسون النشاط بجلطات دموية.
ولمعرفة كيفية قيامهم بذلك، تعقب العلماء الدببة البنية في السويد خلال أشهر الشتاء والصيف. وقاموا بتهدئة المخلوقات الضخمة وأخذوا عينات من الدم في كلا الوقتين من العام. وفي مختبر مؤقت في هذا المجال، اكتشفوا بروتينًا واحدًا أظهر تغيرًا موسميًا كبيرًا: يسمى HSP47، وكان موجودًا بمستويات عالية خلال فصل الصيف ولكنه غير موجود تقريبًا أثناء السبات، وفقًا لورقة بحثية نُشرت في مجلة Science في أبريل.
واستنادا إلى الأبحاث السابقة، فهم العلماء أن HSP47 كان متورطا في مساعدة الصفائح الدموية على الارتباط بخلايا الدم البيضاء لمحاربة العدوى. لذلك، من خلال خفض مستويات البروتين أثناء السبات، بدا الأمر كما لو أن الدببة كانت تنشئ حماية ضد جلطات الدم.
بناءً على ما رأوه في الدببة، تحول الفريق إلى البشر. وقاموا بقياس مستويات HSP47 لدى الأشخاص الذين يعانون من إصابات في النخاع الشوكي، والذين يظلون خاملين لفترات طويلة من الزمن ولكنهم لا يعانون من تجلط الدم. ومن المؤكد أن مستويات HSP47 لديهم كانت أقل من المتوسط. وعندما طلب الباحثون من عشرة متطوعين قضاء 27 يومًا في الفراش، لاحظوا انخفاضًا في هذا البروتين المنتج للجلطة خلال تلك الفترة.
قد يكون لفهم HSP47 آثار طبية. وقد يساعد الأطباء على تحديد الأشخاص الأكثر عرضة لخطر الإصابة بتجلط الدم. أو يمكن أن يوفر سبل العلاج الوقائي لمرضى السرطان وأولئك الذين يتعافون من الجراحة، والذين سيكونون أكثر عرضة للإصابة بجلطات الدم.
قال كيم مارتينود ، عالم الطب الحيوي في جامعة KU Leuven في بلجيكا، لمجلة Science : “إن العلاج المثالي لتخثر الأوردة العميقة من شأنه أن يمنع تكون جلطات الدم في أماكن غير مفترضة، بينما لا يمنع آلية تخثر الدم الطبيعية في الجسم”. إليزابيث بينيسي. “هذا لديه القدرة على أن يكون كذلك.”
تمتلك بعض القشريات عيونًا لامعة تساعدها على الاختباء من الحيوانات المفترسة.
اقرأ أيضًا:
ابتكار روبوتات لينة لعلاج تجلطات الدم
على الرغم من أن اليرقات ذات الفراء قد تبدو وكأنها شعر مستعار غير ضار ، إلا أنه يجب عليك مقاومة أي رغبة في لمسها ومداعبتها. تحت مظهرها الخارجي الناعم، تخفي يرقات الحور الرجراج شبكة خطيرة من الأشواك المليئة بالسم.
وعلى الرغم من أن يرقات العثة تنمو بطول أكثر بقليل من بوصة واحدة ، إلا أن لدغتها يمكن أن تضع إنسانًا بالغًا في المستشفى . هذا العام، قام العلماء بتحليل كيفية عمل سمومهم القوية.
اتضح أن سم يرقة الحور الرجراج يحتوي على بروتين غير عادي متغير الشكل، وفقًا لدراسة نشرت في يوليو في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences . عندما يصل السم إلى السطح الخارجي للخلية، يتشكل هذا البروتين على شكل كعكة، ثم يحدث ثقبًا في جدار الخلية.
السموم التي تصنعها البكتيريا مثل الإشريكية القولونية والسالمونيلا تدخل الخلايا بطريقة مماثلة. لذا يقترح العلماء أن نوعًا ما من البكتيريا قد أدخل جيناته في الحمض النووي لليرقات الحشرية منذ فترة طويلة.
وبعد ذلك.. بمجرد أن تنمو اليرقة إلى فراشة بالغة، تنقل هذه الجينات إلى نسلها.
من خلال محاكاة طبيعة بروتينات اليرقة، يمكن للمهندسين تطوير استراتيجيات توصيل الدواء التي “تقوم بإدخال الأدوية داخل الخلايا حيث تحتاج إلى العمل”، كما قال الباحث المشارك في الدراسة أندرو ووكر ، عالم الأحياء الجزيئية في جامعة كوينزلاند في أستراليا. أنطونيا أوفلاهيرتي من هيئة الإذاعة الأسترالية . “قد نكون قادرين على هندسة هذه الأنواع من السموم لاستهداف الخلايا السرطانية أو استهداف مسببات الأمراض مع ترك الخلايا البشرية وحدها.”
وقد يستغرق هذا العمل عقدًا أو عقدين من الزمن على الأقل. لكن هذا المجال من البحث قد يعني أنه في يوم من الأيام، قد لا يجلب سم يرقة الحور الرجراج الألم فحسب، بل يخفف أيضًا من وطأة الأمراض.
الدببة في حالة السبات لا تصاب بجلطات الدم
من ركوب الطائرة لفترة طويلة إلى الراحة في الفراش بعد الجراحة، يمكن لفترات الجلوس الطويلة أن تؤدي إلى ثني الأوردة، مما يؤدي إلى تجمع الدم وزيادة خطر التجلط أو تجلط الأوردة العميقة . لكن الدببة السباتية تظل ساكنة إلى حد كبير لعدة أشهر متتالية، ولا يصابوا بجلطات دموية.
ولمعرفة كيفية قيامهم بذلك.. تعقب العلماء الدببة البنية في السويد خلال أشهر الشتاء والصيف. وقاموا بتهدئة المخلوقات الضخمة وأخذوا عينات من الدم في كلا الوقتين من العام.
وفي مختبر مؤقت في هذا المجال، اكتشفوا بروتينًا واحدًا أظهر تغيرًا موسميًا كبيرًا: يسمى HSP47، وكان موجودًا بمستويات عالية خلال فصل الصيف ولكنه غير موجود تقريبًا أثناء السبات، وفقًا لورقة بحثية نُشرت في مجلة Science في أبريل.
واستنادا إلى الأبحاث السابقة.. فهم العلماء أن HSP47 كان متورطا في مساعدة الصفائح الدموية على الارتباط بخلايا الدم البيضاء لمحاربة العدوى. لذلك، من خلال خفض مستويات البروتين أثناء السبات، بدا الأمر كما لو أن الدببة كانت تنشئ حماية ضد جلطات الدم.
بناءً على ما رأوه في الدببة. تحول الفريق إلى البشر. وقاموا بقياس مستويات HSP47 لدى الأشخاص الذين يعانون من إصابات في النخاع الشوكي، والذين يظلون خاملين لفترات طويلة من الزمن ولكنهم لا يعانون من تجلط الدم.
ومن المؤكد أن مستويات HSP47 لديهم كانت أقل من المتوسط. وعندما طلب الباحثون من عشرة متطوعين قضاء 27 يومًا في الفراش، لاحظوا انخفاضًا في هذا البروتين المنتج للجلطة خلال تلك الفترة.
قد يكون لفهم HSP47 آثار طبية. وقد يساعد الأطباء على تحديد الأشخاص الأكثر عرضة لخطر الإصابة بتجلط الدم. أو يمكن أن يوفر سبل العلاج الوقائي لمرضى السرطان وأولئك الذين يتعافون من الجراحة، والذين سيكونون أكثر عرضة للإصابة بجلطات الدم.
قال كيم مارتينود ، عالم الطب الحيوي في جامعة KU Leuven في بلجيكا، لمجلة Science : “إن العلاج المثالي لتخثر الأوردة العميقة من شأنه أن يمنع تكون جلطات الدم في أماكن غير مفترضة، بينما لا يمنع آلية تخثر الدم الطبيعية في الجسم”.
تمتلك بعض القشريات عيونًا لامعة تساعدها على الاختباء من الحيوانات المفترسة
للبقاء على قيد الحياة في المحيط. تختار الكثير من المخلوقات التمويه. لكن البعض يأخذ الأمر إلى مستوى آخر: فالحيوانات الشبحية تختبئ بشكل أساسي من الضوء نفسه، بأجسام شفافة تختفي تمامًا عن الأنظار.
يستخدم الحبار الزجاجي هذه الإستراتيجية، جنبًا إلى جنب مع الأشكال اليرقية للعديد من الأسماك ، ولكن لديه مأزق واحد. تعكس عيون المخلوقات الضوء، مما يخلق القليل من اللمعان الذي يمكن أن يكشف عن موقعها للحيوانات المفترسة. العيون الشفافة ببساطة لن تؤدي وظيفتها لأن بعض الصبغات الداكنة ضرورية للرؤية.
ومع ذلك.. فقد طورت بعض يرقات الجمبري طريقة للتغلب على هذا القصور. عيونهم مغطاة بطبقة من الزجاج الذي يتلاعب بالضوء والذي يطابق بشكل فعال لون عيونهم مع لون المياه المحيطة.
بهذه الطريقة.. يمكن أن تصبح القشريات الصغيرة غير مرئية.
اقرأ أيضًا:
ويسبر تطلق مجموعة فرشات إسينشال الجديدة في أسواق الإمارات العربية المتحدة
وفي ورقة بحثية نشرت في مجلة Science في شهر فبراير. قام الباحثون بفحص المادة المعقدة التي تشكل هذا الزجاج الذي يحمي العين. إنها في الواقع تتكون من كرات صغيرة، عرض كل منها جزء من المليار من المتر، مصنوعة من مادة تسمى إيزوكسانثوبترين.
هذه المجالات، التي تعكس الضوء مثل كرات الديسكو المصغرة، تشكل مصفوفة غير منظمة مع فجوات بينها، لذلك لا تزال القشريات قادرة على الرؤية. يمكن أن يعكس الدرع الزجاجي ألوانًا مختلفة من الضوء – من الأزرق الداكن إلى الأخضر المصفر – بناءً على احتياجات التمويه للحيوان. في التجارب المعملية. كان لدى الجمبري الذي تعرض لساعات من ضوء الشمس عيون عاكسة صفراء، لكن تلك التي تركت في الظلام طوال الليل انعكست بدلاً من ذلك باللون الأخضر. ومن المثير للاهتمام أن حجم الكرات وترتيبها يتحكم في لون الضوء الذي تعكسه، وكان هذا اللون ثابتًا عبر جميع زوايا المشاهدة.
كذلك من خلال إجراء المزيد من الأبحاث حول هذه المجالات الصغيرة، يمكن للباحثين اكتشاف طرق لتحسين تقنيات معالجة الضوء في الألواح الشمسية والاستشعار عن بعد والاتصالات، وفقًا للمنظور المصاحب للورقة البحثية.
تحصل الفراشات الملكية على قوة رفع إضافية من البقع الموجودة على أجنحتها
إن هجرة الفراشة الملكية التي تتحدى الموت هي عملية خاصة بالفراشات الملكية وحدها. لا يُعرف عن أي نوع آخر من الفراشات أنه يكمل رحلته ذهابًا وإيابًا، متجهًا جنوبًا لفصل الشتاء ثم يعود شمالًا مع ارتفاع درجات الحرارة، كما تفعل الطيور.
فقد تقطع الفراشة الملكية مسافة 100 ميل في يوم واحد ، وتقطع مسافة إجمالية تصل إلى 3000 ميل قبل أن تصل إلى وجهتها النهائية. لتوفير الطاقة، غالبًا ما يركبون التيارات الهوائية. ووفقًا لدراسة نشرت في مجلة PLOS One في شهر يونيو، فإن أنماط أجنحة الفراشات قد تمنحها أيضًا دفعة .
جيوب هوائية صغيرة
عندما تطير الفراشة الملكية، فإن خليط الألوان الداكنة والفاتحة على حواف أجنحتها يخلق نمطًا غير متساوٍ من التدفئة والتبريد، وفقًا للدراسة. عندما تكون المناطق الداكنة أكثر دفئًا قليلاً والأجزاء البيضاء أكثر برودة قليلاً، يمكن أن تتشكل جيوب هوائية صغيرة دوارة حول البقع. قد توفر هذه الدوامات بعض الرفع الإضافي للحشرات وتقلل من السحب على أجنحتها عن طريق تغيير كيفية تدفق الهواء عبر الفراشة.
إن مقارنة حجم البقعة عبر الملوك والأنواع الأخرى تدعم هذه الفكرة. كان لدى الفراشات التي لم تهاجر بقع بيضاء أصغر من الفراشات الملكية، كما هو الحال مع بعض الفراشات الملكية غير المهاجرة، والتي تنتمي إلى أجيال ولدت في الصيف ولا تبقى على قيد الحياة لرؤية وقت الهجرة في الخريف.
ويقول الباحثون إن محاكاة البقع البيضاء للملوك يمكن أن تساعد المهندسين على إنشاء طائرات بدون طيار أكثر كفاءة.
قال المؤلف المشارك مصطفى حسناليان ، وهو مهندس ميكانيكي في نيو مكسيكو تك والذي ابتكر طائرات بدون طيار من طيور التحنيط ، لـ زينة سيد من مجلة Popular Science : “ستكون طائرتك بدون طيار قادرة على حمل المزيد، لأن هذا اللون يساعدها على اكتساب قوة رفع إضافية” .
يظهر البحث أنه حتى التغييرات الطفيفة في اللون يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا. وكانت الفراشات الناجحة التي وصلت إلى المكسيك تحتوي على بقع بيضاء أكبر بنسبة 3% فقط، مقارنة بالفراشات التي أنهت رحلات هجرتها في جنوب الولايات المتحدة.
على الرغم من أن هذه النسبة قد تبدو منخفضًة، إلا أنها يمكن أن يكون لها عواقب وخيمة على الفراشات الملكية، كما قال المؤلف المشارك آندي ديفيس ، عالم بيئة الحيوان في جامعة جورجيا، لجيسون بيتل من ناشيونال جيوغرافيك . وقال: “قد يكون هذا هو الفرق بين الحياة والموت أثناء الهجرة”.
نبات صحراوي يسحب الرطوبة من الهواء بأملاح خاصة
عندما يتعلق الأمر بكسب لقمة العيش دون الكثير من المياه، فإن الكائنات التي تعيش في الصحراء هي أسياد الابتكار. بعض الحيوانات، مثل وحش جيلا. أصبحت ماهرة في تخزين الماء داخل أجسامها. ويمكن للنباتات أن تنمو لها جذور عميقة لتحصل على شراب من أعماق الأرض.
لكن أحد النباتات التي تتكيف مع الجفاف تلجأ إلى مصدر آخر للحصول على الرطوبة: وهو الهواء.
الشجيرات الطويلة التي تسمى أثيل الطرفاء تسحب الماء المالح من التربة وتفرز الملح من أوراقها. وبعد ذلك، في الليل، تسمح لهم هذه البلورات بجمع الماء من الهواء. وفقًا لورقة بحثية نُشرت في Proceedings of the National Academy of Sciences في أكتوبر.
قام العلماء بقص غصن من نبات الطرفاء وأعادوه إلى مختبرهم. ووضعوه في غرفة خاضعة للتحكم البيئي تهدف إلى محاكاة الظروف الصحراوية: درجة حرارة 95 درجة فهرنهايت و80% رطوبة.
وبعد ساعتين. اكتسب الفرع. مع بلورات الملح على أوراقه، 15 ملليجرامًا من الماء. وعندما اختبروا نفس الفرع بدون ملحه، جمع 1.6 ملليجرام فقط.
سحب الماء من الهواء
قام الفريق بفحص مكونات الملح ووجد أنه يحتوي على ما لا يقل عن عشر مواد مختلفة، والتي سمحت له معًا بسحب الماء من الهواء، حتى في درجات الرطوبة المنخفضة نسبيًا البالغة 55 بالمائة. وكان أحد هذه المكونات هو كبريتات الليثيوم، التي يمكنها جمع الماء عند أدنى مستويات الرطوبة.
وكتب الباحثون أن هذه الأملاح، التي ينتجها النبات بشكل طبيعي، من المرجح أن تكون آمنة بيئيًا. إن تحديدها يمكن أن يساعد المهندسين على تحسين ممارسات سحب الرطوبة من الهواء في المناطق التي تعاني من نقص المياه.
إن عملية زرع السحب. وهي عملية تضيف بلورات إلى السحب لتحفيزها على تكوين المطر، تُستخدم بالفعل في دول مثل الإمارات العربية المتحدة لمحاربة الظروف الجافة وفي باكستان للتخفيف من الضباب الدخاني .
“هذا يحمل وعدًا بإحداث ثورة في ممارسات البذر السحابي من خلال جعلها أكثر فعالية وصديقة للبيئة، مع التوافق أيضًا مع مسؤوليتنا في استخدام موارد المياه الشحيحة على الكوكب بحكمة،” ماري الهنداوي ، كيميائية في جامعة نيويورك أبو ظبي و وقال المؤلف الرئيسي للدراسة في بيان .
اقرأ أيضًا:
أعقاب السجائر.. أزمة بيئية غير مرئية