נקבת הארבה ועקרון ה"טוב דיו"

שיתוף פעולה מסוג זה בין שני חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, פרופ' בת-אל פנחסיק מבית הספר להנדסה מכנית ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים, בית הספר סגול למדעי המוח ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט, הביא למחקר שמתמקד במנגנון הטלת הביצים של נקבת הארבה. נקבת הארבה מטילה את ביציה עמוק באדמה, שם הן מוגנות מפני טורפים ונמצאות בתנאים אופטימליים לבקיעה. כדי להגיע לעומק הקרקע, לנקבת הארבה יש מנגנון חפירה ייעודי מדהים: היא מאריכה את בטנה עד פי שניים או שלושה מאורכה המקורי, כולל את מערכת העצבים הנמצאת בבטן, ובמקביל מנווטת מתחת לפני הקרקע. יכולות אלו מעוררות שאלות רבות בנוגע לחומרים, מבנה, מנגנונים והאינטראקציות ביניהם במערכת ביולוגית מורכבת זו.

עצבים מתארכים ומתכווצים חזרה

אחד הממצאים המרעישים ביותר הקשורים ליכולת ההתארכות של בטן נקבת הארבה נוגע למערכת העצבים המרכזית שלה. בעוד שאורך בטנה של נקבה בוגרת במצב מנוחה הוא כ-2.5–3 ס"מ, במהלך הטלת הביצים הבטן נמתחת באופן קיצוני. עד לאחרונה לא היה ברור אם מערכת העצבים נמתחת בפועל או מכילה עצבים גליים הנפתחים באופן הפיך, כפי שקיים אצל בעלי חיים אחרים, אולם מחקרים עדכניים הראו כי מערכת העצבים הבטנית של נקבות ארבה מפגינה יכולת התארכות יוצאת דופן, עד לכ-250% מאורכה המקורי.

יכולת מרשימה זו, שקיימת רק אצל נקבות בוגרות מינית, היא הפיכה לחלוטין וניתנת לביצוע חוזר ונשנה. בניגוד להשערות המקובלות לגבי מנגנון דמוי אקורדיון, החוקרים גילו משהו אחר לגמרי. פרופ' פנחסיק מסבירה: "בניגוד להשערות קודמות ולדוגמאות המוכרות, לא מצאנו כל מנגנון דמוי אקורדיון. גילינו שמערכת העצבים של נקבת הארבה עשויה מחומר אלסטי, שמסוגל להתארך ואחר כך לחזור מעצמו למצבו המקורי, מוכן לשימוש חוזר, מבלי שנגרם לרקמה כל נזק. זהו ממצא כמעט בלתי נתפס מבחינה ביומכנית ומורפולוגית".

פרופ' אמיר אילי מוסיף: "יכולת העל של נקבת הארבה היא כמעט בגדר 'מדע בדיוני'. בטבע בכלל מוכרות רק עוד שתי דוגמאות של 'ביצועים' דומים: לשונו של הלווייתן הנקרא ראשתן גדול-ראש וסוג מסוים של חילזון ימי, שמערכות העצבים שלהם מסוגלות להתארך משמעותית בזכות מנגנון דמוי אקורדיון", ומסכם: "אנחנו מקווים שבעתיד יסייעו הממצאים שלנו לפיתוח רקמות סינתטיות עם גמישות גבוהה ולשיקום עצבים בטיפולים של רפואה רגנרטיבית".

יכולות מרשימות של חפירה וניווט

נקבת הארבה חופרת בקרקע בעזרת שני זוגות של איברי הטלה קשיחים (ovipositor valves), המבצעים תנועות מחזוריות מדויקות של פתיחה, סגירה, משיכה ודחיפה.

במחקרים שבהם נבחנה בפירוט תנועת איברי ההטלה נמצא שהזוג הגבי (dorsal valves) מבצע תנועה אורכית גדולה יותר, וממלא תפקיד מרכזי בפינוי הקרקע, בעוד שהזוג הגחוני  ventral valves)) משמש בעיקר כעוגן.

במחקרים התגלה גם שלנקבת הארבה יש יכולת מרשימה לנווט ולעקוף מכשולים מתחת לפני הקרקע. באחד המחקרים, שנערך באמצעות צינורות שהכילו מכשולים שהודפסו בתלת-ממד, גילו החוקרים שכאשר נקבת הארבה נתקלת במכשול, איברי החפירה סוטים מהנתיב המקורי, חופרים הצידה עד שהם עוקפים את המכשול, ואז ממשיכים לחפור אנכית. יכולת זו מתאפשרת כנראה על ידי שילוב של תנועת איברי ההטלה והמידע החושי המגיע משערות המישוש הרבות המכסות אותם.

 עקרון "הטוב דיו" (Good Enough)

כחלק מהמאמץ להבין את המנגנון הביולוגי, בחנו החוקרים עד כמה עמידים איברי החפירה מבחינה מכנית. פרופ' אילי מסביר את הרקע לשאלה: "ידוע שלהרבה מנגנונים בגופם של חרקים בכלל, וארבה בפרט, יש עמידות גבוהה לשחיקה מכנית. אנחנו ביקשנו לבחון אם גם כפות החפירה, העשויות מחומר קוטיקולרי קשיח, הפכו במהלך האבולוציה להיות עמידות לשחיקה מכנית".

החוקרים גילו כי כפות החפירה – כלומר איברי ההטלה – של נקבות ארבה בוגרות, שהטילו כבר ביצים כמה פעמים בחייהן, נשחקו באופן משמעותי. בניגוד לאיברים אחרים בגוף החרק, כמו גפי פה לועסות, שחיוניים להישרדות יומיומית ומצופים בחומרים עמידים, במהלך האבולוציה דווקא לא התפתחו איברי הטלה עמידים במיוחד.

ממצא זה מדגים את עקרון "הטוב דיו" (good enough) בטבע, המציע כי חומרים ומנגנונים טבעיים עונים על צרכים ספציפיים בלי לכלול שיפורים מיותרים, מה שמכונה "הנדסת יתר" במערכות מעשה ידי אדם.

פרופ' פנחסיק מסכמת את התובנה ההנדסית: "זוהי דוגמה נהדרת לעיקרון של 'טוב דיו' בטבע: באיבר לא הושקעו משאבים מיותרים כשאין בכך צורך. כבני אדם אנחנו יכולים ללמוד מכך לא מעט על חיסכון בחומרים, באנרגיה ובמשאבים. כמהנדסים שמפתחים מוצרים עלינו להבין היטב את הצורך ולתכנן עבורו מענה מדויק, ולהימנע מהנדוס-יתר של מוצרים כשאין בכך צורך אמיתי".

 ומה בעתיד? רובוטים חופרים לרפואה ולחלל

הידע הרב שנצבר ממחקר נקבת הארבה מוביל לפיתוח מכשיר רובוטי חופר בהשראת הארבה, שיכולותיו כוללות חפירה על ידי דחיפה ודחיסה של חומר גרגירי, יכולת סיבוב וניווט תת-קרקעי (כולל עקיפת מכשולים), ויכולת הארכה וכיפוף. בניגוד לטכנולוגיות חפירה מסורתיות, המבוססות על הוצאת חומר, המכשיר בהשראת נקבת הארבה שואף "לדחוף את דרכו" במינימום הפרעה ונזק למצע. היבט זה רלוונטי במיוחד לחקר תת-הקרקע בכדור הארץ, לחקר סביבות מאתגרות כמו אתרים ארכיאולוגיים, ואף חקר סביבות חוץ-ארציות כמו מאדים.

בנוסף, עקרונות הניווט והמכניקה של הארבה מיושמים בפיתוח מכשירים זעירים לתחום הרפואה. למשל, יכולת החפירה התת-קרקעית של הארבה מעוררת השראה לפיתוח מחטים ניתנות לניווט, המיועדות לשימוש בניתוחי מוח רגישים.

המחקר על נקבת הארבה הוא דוגמה להשראה ביולוגית, ולאו דווקא ביומימיקרי, כלומר חקיינות. הרובוט שיושק בהשראת הארבה עשוי להיראות שונה לחלוטין מהנקבה המקורית – בגודל, בחומרים ובמנגנונים – אך הוא ישאב את העקרונות והרעיונות שהתפתחו ונבחנו במשך מיליוני שנות אבולוציה.