ENTROPY

#آنتروپی

آب سرد چگونه به تکامل حیات چند سلولی پیچیده کمک کرد

#قسمت_دوم

پارادوکس منجمد
زمانی که سیمپسون در اواخر دهه ۱۹۹۰ در مقطع کارشناسی تحصیل می‌کرد، ایده زمین گوی برفی سر زبان‌ها افتاده بود. در سال ۱۹۹۲، جوزف کیرشوینک ژئوشیمیدان به این موضوع اشاره کرد که شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد در گذشته‌های دور زمین، رویداد یخبندان جهانی رخ داده است. وی همچنین الگویی ارائه کرد که نشان می‌داد چگونه یخ‌ها دوباره ذوب شدند. در سال ۱۹۹۸، پل هافمن، زمین‌شناس از دانشگاه هاروارد و همکارانش با مطالعه ذخایر رسوبی در نامیبیا تایید کردند که سنگ‌ها حضور یخچال‌ها را در گرم‌ترین مناطق جهان در حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش نشان می‌دهند. از همان زمان، برای سیمپسون زمان‌بندی عصر زمین گوی برفی چالش‌برانگیز بود. او می‌گوید: «پارادوکسی کامل برایم بود. با توجه به تکامل چشمگیری که در آن زمان رخ می‌داد، باورکردنی نبود که زمین در آن دوران یخ‌زده باشد. پیش از عصر زمین گوی برفی، فسیل‌ها کوچک هستند اما پس از آن بزرگ و پیچیده می‌شوند.» تعیین دقیق زمان پیدایش حیوانات دشوار است، اما تخمین‌های حاصل از ساعت‌های مولکولی (که از نرخ جهش برای تخمین گذر زمان استفاده می‌کنند) نشان می‌دهد آخرین جد مشترک حیوانات چندسلولی در دورانی معروف به زمین گوی برفی استورتین، یعنی بین ۷۱۷ میلیون تا ۶۶۰ میلیون سال پیش ظاهر شده است. جانوران چندسلولی بزرگ و واضح، ده‌ها میلیون سال پس از اینکه زمین پس از یک دوره گوی برفی کوتاه‌تر، گرم شد و یخ‌ها آب شدند، در حدود ۶۳۵ میلیون سال پیش، در سوابق فسیلی ظاهر می‌شوند. با کاهش دما چگالی و ویسکوزیته مولکول‌های آب افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات ریز دشوار می‌شود. این پارادوکس، یعنی سیاره‌ای که ظاهرا شرایط نامساعدی برای حیات دارد، اما موجب جهش تکاملی چشمگیری می‌شود، همچنان در طول تحصیل و زندگی حرفه‌ای سیمپسون او را سردرگم کرده بود. او در سال ۲۰۱۸ به عنوان استادیار به بینشی تازه در‌این‌باره دست پیدا کرد: با سردتر شدن آب دریا، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد. در شرایط زمین گوی برفی، ویسکوزیته آب اقیانوس‌ها دو یا حتی چهار برابر قبل از انجماد سیاره زمین بود. سیمپسون دراین‌باره کنجکاو بود که ارگانیسم‌های میکروسکوپی موجود در اقیانوس‌ها در طول زمین گوی برفی چه رفتارهایی داشتند. شاید درنهایت مشخص می‌شد اصلا پارادوکسی در کار نیست. برای موجودات تک‌سلولی بسیار کوچک، آب چسبناک‌تر مشکلات بزرگی ایجاد می‌کند. باکتری‌ها ازطریق فرایند انتشار، یعنی حرکت مواد مغذی درون آب از ناحیه‌ی با غلظت بالا به نواحی با غلظت پایین تغذیه می‌کنند و معمولا منتظر می‌مانند غذا به آن‌ها برسد. با‌این‌حال، در دماهای پایین، انتشار کند می‌شود و سرعت و میزان جابه‌جایی مواد مغذی کاهش پیدا می‌کند. برای سلول‌ها، زندگی در مایع سرد و دارای ویسکوزیته بالاتر به معنای غذای کمتر است. حتی موجودات بسیار کوچکی مانند سلول‌های تاژک‌دار که می‌توانند خود را در آب به پیش برانند، در آب سرد کندتر حرکت می‌کنند. درنتیجه، کمتر با غذا برخورد می‌کنند. از طرف دیگر، ارگانیسم بزرگ‌تر بدون مشکل زیاد می‌تواند در آب دارای ویسکوزیته بالا حرکت کند. دسته‌ای از سلول‌ها از مزیت اینرسی برخوردار خواهند بود؛ یعنی جرم ترکیبی‌شان به اندازه‌ای بزرگ است که به آن‌ها امکان دهد در مایع غلیظ‌تر حرکت کنند. سیمپسون می‌گوید: «در یک نقطه دیگر آن قدر بزرگ هستید که غلظت مایع اهمیتی نخواهد داشت.» سیمپسون در سال ۲۰۲۱ فرضیه خود را در‌این‌باره منتشر کرد که ویسکوزیته آب دوره زمین گوی برفی فشار قابل‌توجهی بر توانایی تغذیه موجودات زنده در آن زمان وارد کرد و موجب شد برخی از آن‌ها به حیات چندسلولی تکامل پیدا کنند. وی سپس با همکارانش در موسسه سنتا فه، مدل‌های ریاضی از موجودات کوچکی طراحی کرد که در مایعات غلیظ و غلیظ‌تر زندگی می‌کردند؛ ازجمله سلول‌های تکی که ازطریق انتشار تغذیه می‌کردند و سلول‌های خودپیش‌برنده‌ای که با حرکت در محیط اطراف غذا می‌یافتند.در مدل‌هایی که شرح آن‌ها در پایان سال ۲۰۲۳ در پایگاه‌داده بایو‌آرکایو بارگذاری و به‌تازگی در مجله‌ی مجموعه مقالات انجمن سلطنتی منتشر شد، موجودات ریزی که با تکیه بر فرایند انتشار تغذیه می‌کردند با کاهش اندازه به مایعات غلیظ‌تر واکنش نشان دادند. سلول‌های خود پیش‌برنده که این توانایی برایشان تعریف شده بود که در صورت نیاز به هم بچسبند، گروه‌های چندسلولی بزرگ و بزرگ‌تری را تشکیل دادند. این امر نشان می‌داد اگر در زمانی که زمین گوی برفی رخ داد، ارگانیسم‌های چندسلولی یا حداقل موجوداتی با توانایی ایجاد حالت چندسلولی وجود داشتند، مایع غلیظ‌تر می‌توانسته موجب شود آن‌ها بزرگ‌تر شوند.

🌐منبع زومیت

_لینک مقاله

@entropy_ph

#آنتروپی

آب سرد چگونه به تکامل حیات چند سلولی پیچیده کمک کرد

#قسمت_اول

آزمایش‌های جدید نشان می‌دهد دمای بسیار سرد دوره‌های باستانی معروف به زمین گوی برفی، ممکن است شرایط را برای تکامل حیات چندسلولی پیچیده مهیا کرده باشد. وقتی آب دریا سرد می‌شود، ویسکوزیته یا گرانروی آن افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات تک‌سلولی دشوارتر می‌شود. این شرایط ممکن است در عصر معروف به زمین گوی برفی، موجب شده باشد موجودات تک‌سلولی تحت فشار قرار بگیرند و به گروه‌های چندسلولی بزرگ‌تر تکامل یابند تا بتوانند در آب سرد و غلیظ بهتر حرکت کنند و غذا بیابند. پژوهشگران در آزمایشگاه نشان داده‌اند جلبک‌ها تحت شرایط افزایش ویسکوزیته، گروه‌های بزرگ‌تر و هماهنگ‌تری تشکیل می‌دهند. جلبک‌ها حتی پس از پایان آزمایش نیز همچنان به صورت گروهی باقی ماندند که ممکن است نشان‌دهنده مسیر تکاملی به سوی چندسلولی شدن باشد.
سنگ‌های رسوبی مناطق گرمسیری نشان می‌دهد مدت‌ها پیش، زمین با یخ محصور شده بود. صدها میلیون سال پیش، سراسر زمین را یخچال‌ها و یخ‌های دریا پوشانده بودند. افراطی‌ترین سناریوها حاکی از آن است که لایه‌ای از یخ به ضخامت چندین متر حتی در خط استوا تشکیل شده بود. این رویداد که «زمین گوی برفی» نامیده شده است، به‌نظر می‌رسد زمان خوبی برای زندگی نبود. با‌این‌حال، در دوره گرم‌تر بین یخبندان‌ها، اولین شواهد از جانوران چندسلولی ظاهر می‌شود. پس چگونه این نوآوری زیستی در دوران ویرانی و شرایط سخت زمین گوی برفی اتفاق افتاد؟ مجموعه‌ای از مقالات حاصل از پژوهش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه کارل سیمپسون پاسخی را ارائه می‌کند که با واقعیت فیزیکی بنیادینی ارتباط دارد: با سرد شدن آب دریا، ویسکوزیته آب بیشتر می‌شود، بنابراین حرکت برای موجودات بسیار کوچک دشوارتر می‌شود. تصور کنید به جای آب بخواهید درون عسل شنا کنید. اگر ارگانیسم‌های میکروسکوپی برای به دست آوردن غذای کافی برای بقا در شرایط افزایش ویسکوزیته آب مشکل داشتند، برای تغییر پیداکردن تحت فشار قرار می‌گرفتند و شاید راه‌هایی برای جمع شدن در کنار هم و تشکیل گروه‌های بزرگ‌تر و حرکت در آب با نیروی بیشتر تکامل می‌دادند. برای آزمایش این ایده، سیمپسون و همکارانش در دانشگاه کلرادو بولدر آزمایشی را انجام دادند تا ببینند یک موجود تک‌سلولی امروزی در مواجهه با ویسکوزیته بالاتر چه واکنشی نشان می‌دهد. در طول یک ماه، سیمپسون و آندریا هالینگ بررسی کردند که چگونه نوعی جلبک سبز در مواجهه با ژل غلیظ‌تر گروه‌های بزرگ‌تر و هماهنگ‌تری ایجاد می‌کند. نتایج نشان داد جلبک‌ها به‌طور جمعی در مایع حرکت کردند تا سرعت تغذیه خود را حفظ کنند. جالب اینکه گروه‌هایی از سلول‌ها تا ۱۰۰ نسل پس از پایان آزمایش همچنان در کنار هم ماندند. فیبی کوهن، دیرین‌شناس کالج ویلیامز که بارها با سیمپسون درمورد ایده خود صحبت کرده بود، اما مستقیما در مطالعه نقشی نداشت، گفت این پژوهش برداشت جدیدی از پیدایش حیات چندسلولی ارائه می‌دهد. به‌گفته‌ی وی، این حوزه از علم زیست‌شناسی مملو از مقالاتی است که روی سنجه‌های ژئوشیمیایی تمرکز داشته‌اند، اما تعداد معدودی از آن‌ها زیست‌شناسی ارگانیسم‌های منفرد را درنظر گرفته‌اند. وقتی آب دریا سرد می‌شود، ویسکوزیته یا گرانروی آن افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات تک‌سلولی دشوارتر می‌شود. این شرایط ممکن است در عصر معروف به زمین گوی برفی، موجب شده باشد موجودات تک‌سلولی تحت فشار قرار بگیرند و به گروه‌های چندسلولی بزرگ‌تر تکامل یابند تا بتوانند در آب سرد و غلیظ بهتر حرکت کنند و غذا بیابند. پژوهشگران در آزمایشگاه نشان داده‌اند جلبک‌ها تحت شرایط افزایش ویسکوزیته، گروه‌های بزرگ‌تر و هماهنگ‌تری تشکیل می‌دهند. جلبک‌ها حتی پس از پایان آزمایش نیز همچنان به صورت گروهی باقی ماندند که ممکن است نشان‌دهنده مسیر تکاملی به سوی چندسلولی شدن باشد.
سنگ‌های رسوبی مناطق گرمسیری نشان می‌دهد مدت‌ها پیش، زمین با یخ محصور شده بود. صدها میلیون سال پیش، سراسر زمین را یخچال‌ها و یخ‌های دریا پوشانده بودند. افراطی‌ترین سناریوها حاکی از آن است که لایه‌ای از یخ به ضخامت چندین متر حتی در خط استوا تشکیل شده بود. این رویداد که «زمین گوی برفی» نامیده شده است، به‌نظر می‌رسد زمان خوبی برای زندگی نبود. با‌این‌حال، در دوره گرم‌تر بین یخبندان‌ها، اولین شواهد از جانوران چندسلولی ظاهر می‌شود. پس چگونه این نوآوری زیستی در دوران ویرانی و شرایط سخت زمین گوی برفی اتفاق افتاد؟ مجموعه‌ای از مقالات حاصل از پژوهش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه کارل سیمپسون پاسخی را ارائه می‌کند که با واقعیت فیزیکی بنیادینی ارتباط دارد: با سرد شدن آب دریا، ویسکوزیته آب بیشتر می‌شود، بنابراین حرکت برای موجودات بسیار کوچک دشوارتر می‌شود. تصور کنید به جای آب بخواهید درون عسل شنا کنید.

🌐منبع زومیت

➖ لینک مقاله

@entropy_ph

#آنتروپی

◼️ حیواناتی که استاد بهره‌گیری از قوانین فیزیک هستند

#قسمت اول

🔺حیواناتی نظیر گربه‌ها، مارهای درحال خزیدن، سنجاب‌های دشتی نقب‌زن و حیوانات دیگر از قوانین فیزیک به شکل استادانه‌ای استفاده می‌کنند. اگر آیزاک نیوتن فقط گربه‌ها را مطالعه می‌کرد، شاید هرگز قوانین حرکت را کشف نمی‌کرد. فرض کنید گربه‌ای را در دست دارید و درحالی‌که شکمش رو به بالا است، آن را از پنجره طبقه دوم رها می‌کنید. اگر گربه صرفا سیستمی مکانیکی باشد که از قوانین نیوتن درباره حرکت پیروی می‌کند، باید روی پشت خود فرود آید (جزئیات فنی مانند اینکه این کار باید در خلاء انجام شود، وجود دارد، اما برای این بحث آن را نادیده بگیرید). درعوض، اغلب گربه‌ها معمولا با چرخاندن خود در طول مسیر و فرود آمدن روی پاهایشان از آسیب دیدن جلوگیری می‌کنند. ترفند خاص گربه‌ها هنگام سقوط از ارتفاع، برای بیشتر مردم عجیب نیست. همه ویدئوهایی را دیده‌اند که نشان‌دهنده مهارت‌های آکروباتیک گربه‌ها است. اما به مدت بیش از یک قرن، دانشمندان درمورد فیزیک چگونگی انجام این کار توسط گربه‌ها سردرگم بودند. همان‌طور که فرانک ویلچک، برنده جایزه نوبل در مقاله اخیر خود اشاره می کند، قضیه ریاضی که سقوط گربه را به‌عنوان سیستمی مکانیکی درنظر می‌گیرد، برای گربه‌های زنده به کار نمی‌آید. ویلچک، فیزیکدان نظری در وب‌ سایت MIT می‌نویسد: «این قضیه به گربه‌های زیستی واقعی مربوط نمی‌شود. آن‌ها سیستم‌های مکانیکی بسته نیستند و انرژی ذخیره‌شده را مصرف و حرکت مکانیکی را تقویت می‌کنند.» البته، زیست‌شناسی از فیزیک جدا نیست و قوانین فیزیک درمورد گربه‌ها و تمام جانوران دیگر اعمال می‌شود. از اصطکاک در مقیاس‌های میکروسکوپی گرفته تا دینامیک سیالات در آب و هوا، حیوانات از قوانین فیزیک برای دویدن، شنا کردن یا پرواز کردن استفاده می‌کنند. هر جنبه دیگری از رفتار حیوانات نیز، از تنفس گرفته تا ساختن پناهگاه، به محدودیت‌های تعیین‌شده و فرصت‌های مجاز قوانین فیزیک بستگی دارد. جنیفر ریسر و همکارانش در شماره جاری مجله‌ی Annual Review of Condensed Matter Physics می‌نویسند: «موجودات زنده سیستم‌هایی هستند که اعمال آن‌ها در مقیاس‌های طولی و مقیاس‌های زمانی متعدد توسط فیزیک محدود می‌شود.»
درحالی‌که حوزه علمی فیزیک رفتار حیوانات هنوز در مراحل ابتدایی خود است، پیشرفت‌های قابل‌ توجهی در زمینه‌ی توضیح رفتارهای فردی به همراه نحوه شکل‌گیری آن رفتارها ازطریق تعامل با سایر افراد و محیط صورت گرفته است. چنین پژوهش‌هایی ممکن است به دانش فیزیک جدیدی منجر شود که در جوامع انسانی کاربردهایی داشته باشد.

موجودات در هنگام حرکت

🔻فیزیک روی حیوانات درحال کار در طیف گسترده‌ای از مقیاس‌های فضایی اعمال می‌شود. در کوچک‌ترین انتهای طیف، نیروهای کِشنده بین اتم‌های مجاور توانایی مارمولک‌های کگو و برخی از حشرات را برای بالا رفتن از دیوارها و حتی حرکت روی سقف تسهیل می‌کند. در مقیاس کمی بزرگ‌تر، بافت‌ها و ساختارها چسبندگی موردنیاز را برای سایر حرکات ژیمناستیک‌ وار موجودات زنده فراهم می‌کند. برای مثال، قلاب‌های ریز و ریشه‌ی پرهای پرندگان، پرها را در موقعیتی نگه می‌دارند که هنگام پرواز بالا بیایند. بافت‌های زیستی همچنین با تسهیل اصطکاک بین بخش‌های بدن حیوانات و سطوح به حرکت کمک می‌کنند. فلس‌های روی شاه‌ مارهای کالیفرنیا بافتی دارد که امکان خزیدن سریع به جلو را ممکن می‌سازد، اما با افزایش اصطکاک، حرکت به پشت یا به پهلو را به تاخیر می‌اندازد. برخی از مارهای دارای توانایی حرکت از پهلو، بافت‌های متفاوتی را تکامل داده‌اند که اصطکاک را در این جهت حرکت کاهش می‌دهد. ساختارهای کوچک برای تعامل حیوانات با آب نیز مهم هستند. در بسیاری از حیوانات، ریزساختارهایی وجود دارد که بدن را به شدت آبگریز می‌سازد و مانع از نفوذ آب می‌شود. در آب و هوای مرطوب، برای حیواناتی نظیر پرندگان و حشرات پروازکننده که وزن و پایداری آن‌ها اهمیت زیادی دارد، دفع قطرات آب ضروری است. سطوح ممانعت‌ کننده از آب همچنین به حیوانات کمک می‌کنند پوست خود را تمیز نگه دارند. این مکانیسم پاکسازی می‌تواند به محافظت از حیوان دربرابر خطراتی مانند انگل‌های پوستی و عفونت‌های دیگر کمک کند. در برخی موارد نیز، حذف مواد خارجی از سطح بدن حیوان ممکن است برای حفظ خواص سطحی که به استتار کمک می‌کنند، ضروری باشد. فیزیکِ نحوه تعامل نور با سطح حیوان برای بسیاری از رفتارهای دیگر اهمیت دارد. رنگ‌های درخشنده و رنگین‌تاب در پرندگان، پروانه‌ها و برخی از حشرات دیگر به نحوه ترکیب لایه‌های متشکل از ریزساختارهای مختلف بستگی دارد. چنین رنگ‌هایی در رفتارهای نمایشی جلب جفت نقش دارد و می‌تواند توانایی اجتناب از شکارچیان را نیز تحت‌ تاثیر قرار دهد.

ادامه دارد ...

منبع زومیت
@entropy_ph