من المتفق عليه عمومًا أن الحيوانات المنوية "تسبح" بضرب ذيولها الرخوة أو تدويرها. ومع ذلك ، اكتشف فريق بحث بقيادة العلماء أن الحيوانات المنوية الشعاعية تتحرك عن طريق تدوير كل من الذيل والرأس. قام الفريق أيضًا بالتحقيق في نمط الحركة وعرضها باستخدام روبوت. وسعت دراستهم المعرفة بحركة الكائنات الحية الدقيقة وقدمت الإلهام لتصميم هندسة الروبوت.
اكتشاف مفاجئ
كشف البحث عن طريقة حركة جديدة وغريبة للحيوانات المنوية الشعاعية ، والتي يسمونها "نموذج اللولب المزدوج غير المتجانسة (HDH)". "كان هذا في الواقع اكتشافًا عرضيًا ،"
بدأ كل شيء ببحث آخر قام به الفريق لتطوير تقنيات التلقيح الاصطناعي لتربية الأسماك الغضروفية ، بما في ذلك أسماك القرش والشفنين ، التي يتكون هيكلها العظمي كليًا أو بشكل كبير من الغضاريف. يمكن استخدام الأسماك الغضروفية "كمصنع" لإنتاج الأجسام المضادة ضد الأمراض ، بما في ذلك COVID-19. لذلك أردنا تطوير تقنيات التلقيح الاصطناعي لزراعتها لتربية الأحياء المائية ذات القيمة العالية.
خلال تلك العملية ، فوجئ الفريق بشكل كبير عندما لاحظوا لأول مرة التركيب الفريد وحركة السباحة للحيوانات المنوية الشعاعية تحت المجهر. اكتشفوا أن رأس الحيوان المنوي الشعاعي هو في هيكل حلزوني طويل بدلاً من أن يكون مستديرًا ، وأنه يدور مع الذيل عند السباحة.
حقق الفريق كذلك في آلية الدفع ، وخاصة الدور الدقيق للرأس في الحركة. وجدوا أن الحيوانات المنوية الشعاعية تتكون من أقسام حلزونية غير متجانسة: رأس حلزوني صلب وذيل ناعم ، متصلان بواسطة "قطعة وسط" توفر الطاقة للحركة الدورانية. إن رأس الحيوان المنوي الشعاعي ليس فقط "حاوية" للمواد الجينية ولكنه يسهل أيضًا الدفع مع الذيل الرخو.
لفهم وضع الحركة بشكل أكبر ، قام الفريق بتحليل كمية كبيرة من بيانات السباحة ولاحظ الهيكل الداخلي للحيوانات المنوية على المقياس النانوي. نظرًا لأن كل من رأس وذيل الحيوان المنوي للشعاع يدوران في نفس الاتجاه بسرعات وسعات دوران مختلفة عند السباحة ، أطلق الفريق على هذا اسم الدفع اللولبي المزدوج غير المتجانس (HDH).
وفقًا لتحليلهم الإحصائي ، ساهم الرأس بحوالي 31٪ من إجمالي قوة الدفع ، وهو أول دفعة مسجلة للرأس في جميع الحيوانات المنوية المعروفة. بسبب مساهمة الرأس ، تكون كفاءة حركة الحيوانات المنوية للأشعة أعلى من الأنواع الأخرى مثل الستيرليت والثور ، والتي تحركها الذيل فقط.
"إن طريقة الدفع غير التقليدية هذه لا توفر فقط الحيوانات المنوية الشعاعية ذات قدرة عالية على التكيف مع مجموعة واسعة من البيئات اللزجة ، ولكنها تؤدي أيضًا إلى قدرة وكفاءة فائقة على الحركة ،".
قدرة عالية على التكيف مع البيئة
التكيف البيئي أمر بالغ الأهمية في الانتقاء الطبيعي. يمكن لرأس وذيل الحيوانات المنوية للأشعة تعديل حركتها ومساهمتها في الدفع وفقًا للزوجة البيئية والسباحة بسرعات مختلفة لإعادة توجيه الحركة. وبالتالي ، يمكن أن تتحرك الحيوانات المنوية الشعاعية في بيئات مختلفة مع مجموعة واسعة من اللزوجة ، مما يدل على قدرة عالية على التكيف مع البيئة.
وجد الفريق أيضًا أن الحيوانات المنوية الشعاعية تتمتع بقدرة فريدة على السباحة ثنائية الاتجاه ، مما يعني أنها تستطيع السباحة ليس فقط في الاتجاه الأمامي ولكن أيضًا في الاتجاه الخلفي. توفر هذه القدرة مزايا للحيوانات المنوية في الطبيعة ، خاصة عندما تواجه عقبات. والحيوانات المنوية الأخرى ذات الرأس الكروية أو على شكل قضيب لا يمكنها تحقيق حركة ثنائية الاتجاه.
بفضل نموذج HDH ، يتمتع الرأس الحلزوني للحيوانات المنوية الشعاعية بقدرة دوران نشطة. نظرًا لأن كل من الرأس والذيل يساهمان في الدفع ، فإن الزاوية بينهما ستنتج قوة جانبية على الجسم ، مما يتيح للحيوانات المنوية الشعاعية الدوران ، مما يُظهر مرونة عالية في حركتها.
يوضح الروبوت المستوحى من الحيوية نموذج HDH
أظهر نموذج HDH الغريب ميزات واسعة في الحركة والكفاءة وألهم الفريق في تصميم الروبوتات الصغيرة. أظهر الروبوت المستوحى من الحياة ، برأس حلزوني صلب وذيل ناعم ، تفوقًا مشابهًا على الأنواع التقليدية من حيث القدرة على التكيف والكفاءة تحت نفس مدخلات الطاقة. يمكن أن يتحرك بمهارة في بيئة بها سائل ، حتى عندما تتغير اللزوجة.
يمكن أن توفر هذه القدرات رؤى لتصميم روبوت السباحة للمهام الهندسية الصعبة و الطبية الحيوية تطبيقات داخل جسم الإنسان مع بيئات سائلة معقدة ، مثل داخل الأوعية الدموية.