טכנולוגיות החפירה של קיפודי הים תשמש השראה לתכנון מכונות חפירה

קיפודי ים החיים על קרקעית הים לא נראים שייכים לעולמה של הטכנולוגיה המתקדמת. אבל מדענים במכון ויצמן למדע גילו באחרונה, להפתעתם, שיצורים קוצניים אלה יוצרים את מקומות המחבוא שלהם תוך שימוש בטכנולוגיות מתקדמות

כאשר הם חופרים לעצמם מחילות בקרקעית הים, משתמשים הקיפודים עגולי הגוף בחמשת השיניים שלהם, שכמו השיניים של מכרסמים, נשחקות בקצותיהן וממשיכות לגדול מצידן השני, מכיוון השורש, במשך כל חייו של הקיפוד. מפתיע, אבל השיניים האלה, אשר צריכות להיות חזקות יותר מסלע הגיר בו חופרים הקיפודים את מחילותיהם, עשויות בעיקר מקלציט, אותו מינרל שממנו עשויה ברובה אבן הגיר. כיצד אם כן מצליחות השיניים האלה לחרוץ ולחפור בקרקע הים?

בסדרה של מחקרים שבוצעו במשך יותר מעשור, גילו פרופ' סטיב ויינר ופרופ' ליאה אדדי מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע כי סודם של קיפודי הים טמון בשילוב של טכנולוגיות עיצוב מקוריות ומפתיעות. המחקר האחרון בסדרה, שנעשה על ידי החוקרת הבתר-דוקטוריאלית יורונג מה ותלמידת המחקר יעל פוליטי, בשיתוף פרופ' פופה גילברט וד”ר רבקה מצלר מאוניברסיטת ויסקונסין, ד”ר ברברה אייכמאייר, אוסקר פאריס ופיטר פראצל ממכון מקס בפוטסדם, גרמניה, וד”ר אנדרה מייבום מהמוזיאון הלאומי לתולדות הטבע בפריס, פורסם באחרונה בכתב-העת של האגודה הלאומית האמריקאית למדעים (PNAS).

בשלב הראשון מצאו המדענים כי השיניים של קיפודי ים מכילות גבישים של מגנזיום קלציט שהם קטנים, דחוסים וחזקים יותר מקלציט נקי. גבישים אלה מרוכזים בקצה הטוחן של השן ובמיוחד במרכזה, שם מופעל רוב הכוח. מה שמחזיק את הגבישים במיקום הנכון הוא תבנית של גבישי קלציט שהם גדולים ורכים יותר. בזמן שרוב החומרים מסוג זה בנויים כתבנית של סיבים קשים המכילה את המילוי הרך יותר, נראה כי שיני הקיפודים בנויות באופן שונה: תבנית של סיבי קלציט רכים יחסית מחזיקה גבישי מגנזיום קלציט שהם קשיחים יותר. עובדה זו מאפשרת לגבישים אלה להתפזר לאורך פני השטח של קצה השן. נוכחות גבישי המגנזיום קלציט יוצרת אפקט של נייר זכוכית אשר מסייע לטחון את הסלע.

באמצעות שימוש במיקרוסקופיית אלקטרונים ברזולוציה גבוהה מסוג X-PEEM, גילו המדענים היבט מרתק נוסף של עיצוב השן בקיפודי ים. מתברר שכל החומרים הגבישיים אשר מרכיבים את השן, מסודרים בשתי שכבות שונות, ושכבות אלה “ננעלות” זו על גבי זו כמו אצבעות של שתי ידיים משולבות. המדענים מאמינים כי בדרך זו קיפודי הים מייצרים לעצמם כלי משונן המזכיר מסור. הקצה משחיז את עצמו כאשר השן נטחנת. במקביל, השכבות הגבישיות נשברות תמיד בצורה כזאת שהקצה נשאר משונן.

הבנה טובה יותר של מבנה השיניים של קיפודי ים עשויה להוביל לעיצוב כלים מכניים משופרים, כגון כלים יעילים לטחינה ולחיתוך אשר אינם מתכהים, בדיוק כמו השיניים המשחיזות את עצמן של קיפודי הים.

מאמר מדעי