כתבה – ד"ר יעל הלפמן

הטבע בנוי כמו כל שפה, מאבני בניין שמצטרפות ליצירת מורכבות בעלת משמעות. כמו אותיות המצטרפות למילים ומילים החוברות למשפטים, מצטרפות אבני הבניין בטבע ליצירת פונקציונאליות מורכבת.  DNA למשל נוצר מארבעה בסיסים בלבד, חלבונים נוצרים מ- 20 חומצות אמינו, מוליקולות נוצרות מאטומים, מבנים בטבע מורכבים ממספר מבנים בסיסיים. הצירופים השונים יוצרים שלם חדש ומובחן, בדומה לבניין היוצא לאור מחיבור הלבנים שהיוו אותו.

מבנים בטבע תמיד ריתקו אותי. למה יש מבנים מסוימים בטבע? מהם בדיוק הכוחות שעיצבו את המבנים האלה? אם נבחן את המבנים והצורות המזוהים בטבע, נגלה שמדובר ברשימה לא ארוכה במיוחד. במחקר הדוקטורט שלי יצאתי לחפש אותם מבנים חוזרים בטבע, המילים הבסיסיות שהטבע משתמש בהן ליצירת משפטים פונקציונליים. מבנים אלו חוזרים באופן זהה או דומה במקומות שלכאורה אין ביניהם מן המשותף בטבע, במערכות שונות ובקנה מידה שונה.

דרסי תומפסון, ביולוג ומתמטיקאי סקוטי, חקר צורות אורגניות בטבע ופרסם את ממצאיו לגבי היווצרות דפוסים מבניים בספרו 'על צמיחה וצורה', שפורסם בתחילת המאה ה- 20 ומצוטט עד היום. תומפסון אמר ש"צורות הטבע כפופות לחוקי הפיזיקה והן תוצר הכוחות 'הלא נראים' בחלל." הכוחות לא נראים, אך הם פועלים על החומר ומותירים את רישומם. כאשר כוחות פועלים באופן מסוים על החומר, התוצאה מתכנסת למבנה מסוים ולא אחר.

עיקרון בסיסי בעולם העיצוב שטבע האדריכל לואיס סליבן (Sullivan) באמצע המאה ה- 20 הוא " Form Follows Function”. משמעותו היא שהצורה של אובייקט נגזרת מהפונקציה שלו וקשורה אליה. כך למשל, אדריכל מתכנן פתחים כדי להכניס אור. שינוי הצורה ישנה את הפונקציה. זהו עקרון יסוד בכל הדיסציפלינות העוסקות בתכנון של מבנים ומערכות: אדריכלות, הנדסה ועיצוב. לפעמים נתקלים בניסוח הפוך של העיקרון “Function follows form”. זה עניין של השקפת עולם אבולוציונית. מה קדם למה? צורות לפונקציות או פונקציות לצורות.  בכל מקרה הקשר קיים. צורות קשורות לפונקציות ופונקציות קשורות לצורות. ובמובן רחב יותר, הפונקציות קשורות למבנים, ומבנים קשורים לפונקציות. המסע שלי לחיפוש הדפוסים התמקד לכן בזיהוי הקשר בין צורות ומבנים לפונקציות בטבע, מתוך הנחה שקשר זה הוא הבסיס לשפה המבנית של הטבע.

את המבנים החוזרים חיפשתי במאגר של מאות מערכות ביולוגיות שבחנתי. אני זוכרת היטב את הרגע שבו זיהיתי את הדפוס מבנה־פונקציה הראשון: בליטות חוזרניות. פני השטח בטבע אינם חלקים. הם מאופיינים בבליטות בעלות צורות, גדלים ופיזור משתנה, ההופכות את פני השטח לפונקציונליים. זיהיתי שבכל מקום במאגר שיש בו פני שטח עם בליטות, הפונקציה הגנרית היא חיבור וניתוק. הבליטות יכולות להיות שערות, שיניים, זיפים, בליטות אפידרמיות, קשקשים ועוד.

למשל, בליטות על עלה הלוטוס קשורות לפונקציה של ניתוק טיפות המים מהעלה, שערות על רגל השממית קשורות לפונקציה של ניתוק וחיבור הרגל לקיר, שיניים קטנטנות על עור הכריש קשורות לפונקציה של ניתוק בקטריות, וזיזים על פרי הלפה הקוצנית המכיל את הזרע קשורים להיצמדות לפרוות בעלי חיים חולפים.

הדפוס הראשון שהתגלה פתח את הסכר לדפוסים נוספים. אט אט הם הפציעו, מבנה אחר מבנה. מכיוון שכל מבנה מותאם לפונקציה מסוימת, בכל פעם שמבנה הפציע, שאלתי אם יש פונקציה גנרית המזוהה איתו. זה היה תהליך חוזר ונשנה של ניסוח השערות לגבי קיומם של קשרי מבנה – פונקציה וחזרה למאגר הנתונים כדי לאשש אותן. בסופו של דבר היו בידיי תשעה מבנים בסיסיים. בשלב מסוים כל מערכת ביולוגית חדשה שנכנסה למאגר התאימה לאחד או יותר מהמבנים הללו, ומבנים חדשים לא התגלו.

להלן חלק* מהמבנים שנגלו :

תעלות

המבנה מאופיין כמערכת של צינורות או תעלות עם או בלי שסתומים. הפונקציה הגנרית: ניתוב או הובלה (ללא שסתומים) או ויסות (עם שסתומים). בכל מקום בטבע שיש בו תעלה, יש הובלה. במערכת הדם החמצן מובל אל התאים, ופחמן דו חמצני מתפנה, מערכת העצה בעצים היא מערכת תעלות המעבירה מים ומינרלים משורשי הצמח לכל חלקיו. תעלות על עלה ריבס המדבר, עלה מדברי גדול יחסית לעלים במדבר, משמשות כאגן ניקוז להובלת מי הגשם היישר אל השורשים.

שכבות צולבות

שכבות צולבות הן מבנה הנראה כרשת בדו ממד או כמבנה תאי, ספוגי או כוורתי בתלת ממד. הפונקציה הגנרית היא הגנה מכנית במקרה של לחץ אנכי ולחץ אופקי. דוגמא קלאסית היא מבנה העצם, הבנויה כספוג. החללים מאפשרים הפחתה של חומר במקומות שבהם הוא אינו דרוש, וחיזוק במקומות הנדרשים. המבנה מזוהה גם בכנפיים של חרקים הנראות כמו רשת, כגון כנפי השפירית.

סלילים

סליל הוא עקום המתאר מעבר מעגלי בשלושה ממדים תוך שמירה על קוטר קבוע. הפונקציה הגנרית היא הגנה מכנית במקרה של עומסים משתנים שכיוונם אינו קבוע.

לדוגמא, קרניים מסולסלות מותאמות לנגיחה בזמן קרבות בין זכרים, מצב שבו לעומס המופעל על הקרניים אין כיוון צפוי וקבוע. לקולגן, החלבון השכיח ביותר בגופם של בעלי חיים ובני אדם, יש מבנה סלילי. הוא המרכיב העיקרי של הסיבים ברקמות חיבור, בכלי הדם, בסחוסים ובאזורים נוספים שבהם העומסים אינם צפויים. הקולגן המרכיב את כלי הדם שלנו מותאם לספוג את לחצי הזרימה המשתנים.

מיכלים

מכל הוא חלל סגור המוקף במעטפת חיצונית. החלל עשוי להיות מלא בגזים, בנוזלים או במוצקים. מכל הוא כפי הנראה הצורה הפשוטה ביותר בטבע. הפונקציה הגנרית של המכל היא הכלה או אחסון. יש דוגמאות רבות למכלים בטבע: קיני ציפורים המכילים את הביצים ובהמשך גם את הגוזלים, מספקים להם הגנה ומקום מסתור מטורפים; גביעי צמחים טורפים, כגון כדנית, מכילים מיצי עיכול המפרקים את מרכיבי המזון החיוניים מגוף החרק; תרמילי זרעים מכילים בצורה מסודרת ומוגנת את הזרעים עד למועד הנביטה, ואז הם נפתחים, והזרעים משוחררים.

איך מדברים "מבנית" בטבע? תשעת המבנים הבסיסיים הם המילים הראשונות המרכיבות את השפה המבנית של הטבע. היכולת לביטוי פונקציונלי הולכת ומעמיקה ככל שמשולבות יותר מילים במשפט. לרוב ניתן לזהות כמה מבנים במערכת ביולוגית אחת, ושילובם הייחודי מסביר את המנגנון הפונקציונלי של המערכת.

לדוגמה, עורקים הם גם מערכת הובלה (תעלות חוזרניות) וגם מספקים הגנה מלחצי הדם המשתנים באמצעות מבנה הקולגן הסלילי. בחיפושית הנאמיבית שקוצרת מים מהאוויר יש גם מבנה של בליטות הידרופיליות ("לתפיסת מים") וגם תעלות בין הבליטות (להובלת מים). כוורת היא גם מכל (מכילה דבש) וגם מספקת הגנה מכנית באמצעות מבנה תאי־כוורתי (שכבות צולבות).

תמיד קיים מתח בין מה ששפה מתארת באמצעות מילים לבין מה שאינה יכולה לתאר בהעדרן. גם בטבע מתח זה קיים. עצם ההגדרה של מספר מבנים מצומצם אינו מאפשר לתאר את כל המורכבות המבנית בטבע , אך יחד עם זאת המבנים שזוהו מאפשרים לתאר בצורה טובה דיה את המציאות המבנית.

רכישת שפה חדשה תמיד מעשירה את עולמינו ומאפשרת לתפוס עוד נתח מהמציאות. היום, כשאני מהלכת בטבע, רואה תמונות טבע או קוראת על מנגנונים בטבע, אני מיד מזהה את המבנים ומקשיבה לסיפור הפונקציונלי שלהם. יש מבנים שלוחשים פונקציה קטנה, ויש מבנים שחברו להם יחד כדי לצעוק פונקציה גדולה.

ד"ר יעל הלפמן כהן

חוקרת, יזמית, יועצת ומרצה בתחום של ביומימיקרי, חדשנות בהשראת הטבע. מייסדת שותפה ומנכ"לית ארגון הביומימיקרי הישראלי, מייסדת חברת Naturecode העוסקת בחדשנות מהטבע בארגונים. מחברת הספר "המצאות הטבע- איך לייצר חדשנות בהשראת הטבע".

לפניה לכותבת: yael@naturecode.co.il

*מידע על המבנים הנוספים שנמצאו ניתן לקרוא בספר "המצאות הטבע", הוצאת 'קוד הטבע'.