الضوء المخفي داخل الاسفنجة

العلوم / الإبر الزجاجية الموجودة في الهياكل العظمية الإسفنجية البحرية توصل الضوء بشكل أفضل من الألياف الضوئية

لا يمكن للتكنولوجيا الحديثة المتطورة أن تتنافس بعد مع بعض إبداعات الطبيعة. وتشمل هذه الأنظمة البصرية المتطورة التي طورتها الإسفنج. من بين الإسفنجيات، وهي أقدم المخلوقات متعددة الخلايا، هناك تلك التي تطور هيكلًا عظميًا يتكون من الزجاج، ومن هنا اسمها - الإسفنج الزجاجي. يتكون الجزء السفلي من الهيكل العظمي من إبر زجاجية تتشابه خصائصها البصرية بشكل مدهش مع خصائص الألياف الضوئية المستخدمة في صناعة الاتصالات. ولكن مع فارق واحد: إن التطور التكنولوجي الأكثر تقدمًا من صنع الإنسان لم يتمكن بعد من الوصول إلى أداء الإبر الإسفنجية.

يعيش ما بين 5,000 إلى 9,000 نوع من الإسفنج في البحر، وهناك العديد من الأنواع الأخرى التي لا توجد إلا على شكل حفريات - وهذه هي بقايا الإسفنج القديم. معظمهم لديهم هيكل عظمي داخلي. في الإسفنج الحي المستخدم للاستحمام، يتكون الهيكل العظمي من مادة عضوية تشبه الكولاجين. وقد تم تجهيز الإسفنجيات الأخرى بهيكل معدني كلسي، ولكن في معظم الإسفنج يتكون الهيكل العظمي من الجسم الزجاجي، وهو المكون الرئيسي للزجاج. ويمكن أن يظهر الهيكل الزجاجي بأشكال هندسية مختلفة مثل الإبر والكرات والقرون والأسلاك وغيرها.

في الإسفنج الزجاجي، تتجمع الإبر معًا عدة مرات، ويتم إنشاء نوع من القفص مصنوع من تعريشة. هذا ما يحدث في الإسفنج الذي أطلق عليه اسم "سلة زهور الزهرة". ومعه تم ربط الإبر على شكل أسطواني وحصلت مادة الزجاج على ملمس دانتيل على الجوانب. كان من المعتاد في اليابان تقديم هذا الهيكل العظمي الإسفنجي كهدية خطوبة. ويكمن سبب هذه العادة في أن الإسفنج الحي له فتحة واحدة فقط لخروج الماء، وتقع في الجزء العلوي. عندما تكون الإسفنجة صغيرة نسبيًا، يدخل من هذه الفتحة زوج من السرطانات (ذكورًا وإناثًا) التي تعيش بداخلها. لكن معدل نمو السرطانات أسرع من معدل نمو الإسفنج، وهكذا بعد فترة قصيرة تصبح السرطانات أكبر من حجم الخروج، ومحكوم عليهما بإنهاء حياتهما معًا داخل تجويف الإسفنج. وبالتالي فإن اختيار شريكهم هو التزام كامل، حتى يومهم الأخير، ومن هنا رمزية إعطاء الهيكل العظمي الإسفنجي مع زوج من السرطانات للزوجين على وشك الزواج.

"سلة زهور الزهرة" هي الإسفنجة التي استخدمها بحث فريق متعدد التخصصات، ونشرت يوم الخميس الماضي في مجلة "الطبيعة"، وشارك في الفريق الدكتورة جين أيزنبرغ، الباحثة في مجال تكنولوجيا النانو والتي حصلت على حاصلة على الدكتوراه في معهد وايزمان وتعمل الآن في مختبرات بيل في نيويورك راسي، وعالمة الأحياء البحرية الدكتور ميخا إيلان من جامعة تل أبيب. اختبر أيزنبرغ الخصائص الفيزيائية والكيميائية للإبر الهيكلية واكتشف أن الإبر قادرة على توصيل الضوء تمامًا مثل الألياف الضوئية، وحتى مثل شبكة الألياف الضوئية. يصل طول إبر "سلة زهور الزهرة" إلى 15 سم، لكنها رفيعة جدًا - يتراوح قطرها من 40 إلى 70 جزءًا من الألف من السنتيمتر، وتحمل عليها "أشواك" صغيرة مثل الجذع من وردة. يختبئ داخل الإبرة نواة مصنوعة من جزيئات عضوية، وهي ملفوفة في أسطوانة صلبة ومستمرة مصنوعة من الزنك، وهي نفسها محاطة بـ "قشرة" مصنوعة من طبقات من المواد العضوية على فترات منتظمة.

"إن الألياف الزجاجية للإسفنجة تبدو كسلك طويل عليه مسامير، فعندما تضيءه لا يسير الضوء على طول المحور المركزي فقط، بل ينقسم إلى مسامير وفي نهاية كل سنبلة توجد نقطة من الضوء مُقتَنىً. وهكذا، من خلال مصدر ضوء واحد يمر عبر الألياف البيولوجية، من الممكن الحصول على انقسام إلى شبكة من نقاط الإضاءة المتعددة. يقول إيلان: "إن هذه الخصائص تمنح الألياف الإسفنجية توصيلًا بصريًا أفضل من الألياف الضوئية المستخدمة في الاتصالات اليوم". إحدى مشاكل الألياف الصناعية هي صلابتها مما يجعلها قابلة للكسر بسهولة. "تحتوي هذه الألياف البيولوجية على جزيئات عضوية في المنتصف تمنحها المرونة، وحتى عندما يتشكل صدع، فإن الألياف لا تنكسر. يقول إيلان: "بفضل المكون العضوي، يمكن ثني الألياف ولفها دون كسرها".

ويتم إنشاء إبر الإسفنج تحت ظروف بيئتها الطبيعية، في أعماق البحر حيث تصل درجة الحرارة إلى أربع درجات مئوية، وتحت إشراف إنزيمات توجه نمو المادة إلى الشكل المميز للإسفنج. وهذه الخصائص قد تجعل من الإبر بديلاً للتقنيات الحالية لإنتاج الألياف الضوئية، والتي تتطلب درجات حرارة عالية. تدرس العديد من الدراسات اتجاهات الإنتاج هذه. إن بناء الألياف عند درجة حرارة منخفضة يسمح بإدخال عناصر إضافية تؤثر على انتقال الضوء في الألياف وتحسن أدائها. وفقًا لإيلان، "إن فهم مسار الإنتاج البيولوجي لهذه الألياف يمكن أن يساهم في تطوير ألياف وشبكات ضوئية أكثر تقدمًا من تلك المستخدمة اليوم."

ويبقى السؤال الآن: لماذا يحتاج الإسفنج الذي يعيش في أعماق البحر، حيث لا ينفذ أي ضوء على الإطلاق، إلى آلية تسمح بمثل هذا النقل المتطور للضوء؟ "نحن نعلم أن هناك كائنات دقيقة في البحر يمكنها إنتاج الضوء. وقال إيلان: "لقد افترضنا أن مثل هذه الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تعيش داخل الإسفنج، وبالتالي فإن الضوء الذي تنتجه ينتشر في نقاط عديدة على سطح الإسفنج باستخدام نظام الألياف البيولوجية". "في أعماق البحر المظلم، مثل هذا الضوء يمكن أن يجذب إليه كائنات صغيرة يصفيها الإسفنج لمعيشته".

سلة الزهور فينوس

تم اكتشاف قدرات توصيل الضوء في الكائنات التي تعيش في قاع البحر، والتي يمكن استخدامها في صناعة الألياف الضوئية

أليكس دورون، معاريف
غالبًا ما يصادف العلماء الذين يدرسون الطبيعة آليات متطورة يمكن أن تكون بمثابة أساس للتكنولوجيا المستقبلية. خذ على سبيل المثال "سلة زهور الزهرة"، وهو نوع خاص من الإسفنج (كائن يعيش في أعماق البحر)، تمت دراسته مؤخرا من قبل فريق بقيادة اثنين من الإسرائيليين، الدكتور ميخا إيلان من جامعة تل أبيب و الدكتورة زانا إينزبيرج، باحثة سابقة في معهد وايزمان وهي الآن باحثة في مختبرات بيل في نيوجيرسي.

يتكون الهيكل العظمي للإسفنجة من السيليكون (السيليكون، العنصر الكيميائي الموجود في الزجاج) وشكلها يشبه الإبرة. يتم ربط مكوناته الهيكلية جزئيًا معًا لتكوين شبكة. تخرج الأشواك من الإبر التي تشكل نوعًا من التعريشة. تم اكتشاف في البحث أن الإبر والمسامير تنقل الضوء مثل الألياف الضوئية المتطورة. في الواقع، فإن انتقال الضوء الخاص بها أفضل من الألياف الضوئية الصناعية.

ويقول الدكتور إيلان إن اليابانيين عادة ما يقدمون "سلة فينوس" كهدية للخطوبة. هناك قصة مثيرة للاهتمام وراء هذه العادة. الإسفنج مخلوق متعدد الخلايا مستقر (غير متحرك)، قديم وبدائي، على شكل أسطوانة، يشبه تطريز الدانتيل. يعيش في أعماق البحار والبحيرات، وله فتحة واحدة تقع في رأسه. عندما يكون الإسفنج صغيرًا، يدخل زوج من السرطانات (ذكر وأنثى) من خلال هذه الفتحة، ويستقر في داخله ويعيش معه حياة تكافلية. لكن معدل نمو السرطانات أسرع من الإسفنجة، وبعد فترة من الوقت يتم احتجازها بداخلها. لذلك محكوم عليهم بإنهاء حياتهم هناك معًا. رأى اليابانيون أنه رمز للأزواج على وشك الزواج.

يبلغ طول بعض الإبر الهيكلية لسلة الزهرة 5-15 سم وقطرها 40-70 ميكرون (جزء من الألف من المليمتر). تتكون الإسفنجة من طبقات على فترات منتظمة، وهذا الهيكل يجعل الإبر الهيكلية مقاومة للكسر حتى عندما تتشقق. إنها مقاومة للانحناء والضغوط الميكانيكية الكبيرة - مما يمنع تمدد الشق الطفيف إلى كسر كامل
من الألياف.

وأكد الدكتور إيلان في مقابلة مع مجلة نيتشر أن "التكنولوجيا الحديثة لا تزال غير قادرة على التنافس مع بعض الأنظمة البصرية الأكثر تطورا الموجودة في الكائنات الحية". ووفقا له، فإن تقليد هذه الخصائص البيولوجية يمكن أن يؤدي في المستقبل إلى إنتاج ألياف بصرية عالية الجودة، ومواد مركبة حديثة.