הפרפר עם הכנף השקופה, הצפרדע עם הבטן החשופה, וגם הדיונון שמסוגל לראות יצורים בלתי נראים והדג שרואה מתוך הגולגולת. המדע של החיות ה(כמעט)בלתי נראות

תארו לעצמכם שהיינו יכולים להיות שקופים. כמה רגעים מביכים, לא נעימים ואפילו מסוכנים יכלו להימנע אם פשוט לא היו רואים אותנו? מה היה אילו כמו הילד דנידין מסדרת ספרי הילדים המפורסמת הייתם שותים את אותם "מים סגולים" שרקח מדען תמהוני והופכים להיות רואים ובלתי נראים? במציאות בני אדם אומנם לא יכולים להעלים את עצמם, אך בטבע קיימות חיות רבות שאימצו מראה שקוף.

בעלי חיים רבים נעזרים במראה שקוף, בעיקר לצורך הסוואה. חלקם שקופים לגמרי, כמו יצורים פלנקטוניים מסוימים, כלומר יצורי ים זעירים שנסחפים בזרם. לאחרים יש חלקי גוף שקופים, כמו מינים מסוימים של פרפרים, צפרדעים ודגים. ויש אפילו חיות שיכולות לעבור ממצב לא שקוף לשקוף לפי הצורך.

לשקיפות הזאת יש מחיר. היא דורשת התאמות אנטומיות מורכבות, כגון הצרה של איברים או הגבלה של זרימת הדם לאזורים מסוימים בגוף. איך ולמה בעלי חיים מסוימים בכל זאת אימצו לעצמם מראה שקוף?

פיזיקה של שקיפות

כשחלקיקי אור (פוטונים) פוגעים במשטח, יכולים לקרות כמה דברים. אם הם מוחזרים באותה זווית שבה פגעו במשטח, נקבל אפקט של מראה. הם יכולים גם להיבלע או להתפזר ואז נראה את העצם בצבע מסוים בהתאם לאורכי הגל שהוחזרו ממנו לעינינו. לבסוף, אם האור עובר דרך המשטח, החומר הוא שקוף, כפי שקורה בזכוכית.

אפשר לתאר ולכמת את רמת השקיפות של חומרים על פי מקדם השבירה שלהם – מושג פיזיקלי שמתייחס למהירות התנועה של האור דרך חומר מסוים בהשוואה לרִיק. מהירות האור ברִיק היא 300 אלף קילומטר לשנייה, אבל בתוך מים, למשל, הוא מאט ל-225 אלף קילומטר לשנייה. ככל שמקדם השבירה של חומר קרוב יותר למקדם השבירה של הסביבה שבה הוא נמצא, החומר יהיה שקוף יותר.

התהליכים שיכולים להתרחש במפגש בין האור למשטח תלויים בעיקר בסוג המשטח | איור: Fouad A. Saad, Shutterstock
כשאור פוגש חומר. התהליכים שיכולים להתרחש במפגש בין האור למשטח תלויים בעיקר בסוג המשטח | איור: Fouad A. Saad, Shutterstock

הכנף השקופה של פרפר כנף הזכוכית

פרפר כנף הזכוכית (Greta oto) הוא יצור חינני במיוחד. כפי ששמו מעיד, כנפיו שקופות פרט לפסי מתאר שחורים, ואורכן מגיע לכשישה סנטימטרים. במאמר שפורסם לאחרונה בחנו חוקרים מאוניברסיטת ברקלי בארצות הברית את מבנה הכנף שלו בניסיון להבין מדוע היא שקופה ומה מונע מקווי המתאר השחורים שבה להחזיר אור.

החוקרים בחנו במיקרוסקופ אלקטרונים אזורים שקופים ולא שקופים של כנפי הפרפר. הם מצאו שהכנף מורכבת ממעין קשקשים. באזורים שאינם שקופים הקשקשים גדולים, עבים ואינם חדירים לאור, ואילו באזורים השקופים הם קטנים הרבה יותר ודומים יותר לשערות מאשר ללוחות.

האזורים השקופים מורכבים משתי שכבות עיקריות: השכבה הפנימית גבשושית ומסודרת, ומורכבת מרב-הסוכר כיטין, שהוא חומר חזק וגמיש שמרכיב שלדים חיצוניים של חרקים רבים. מבנה השכבה הזאת דומה לאיברים שקופים אחרים בטבע, כמו עין של עש שגם היא גבשושית ומסודרת.

מעל הכיטין נמצאת שכבת שעווה, המכילה ננו-עמודים והיא פחות מסודרת מהשכבה הראשונה. כשהחוקרים הסירו את השכבה הזאת בשיטות כימיות הם גילו שתפקידה הוא לצמצם את החזרי האור. "כנף זכוכית" רגילה מחזירה רק שני אחוזים מהאור הפוגע בה, אך אחרי הסרת השעווה הכנף היא אומנם נותרה שקופה, אך פחות – היא החזירה כמות כפולה של אור לעומת כנף שלמה.

פרפרי כנף הזכוכית על ענף | צילום:  Albert Beukhof, Shutterstock
כימיה מורכבת להעלאת רמת השקיפות של הכנפיים. פרפרי כנף הזכוכית על ענף | צילום: Albert Beukhof, Shutterstock

מחקר קודם בדק איך המבנים שבכנף מעניקים לה שקיפות. כדי שהכנף תהיה שקופה, מקדם השבירה שלה צריך להיות כמה שיותר קרוב לזה של האוויר. העמודים הזעירים והגבשושיות בשכבות הכנף מעלים בהדרגה את מקדם השבירה ומסייעים לכנף להישאר שקופה. למעשה, מקדם השבירה של החלק העליון של השכבה החיצונית הוא הממוצע של מקדם שבירת האור בקצה הננו-עמודים שבשכבה הזאת לבין המקדם של האוויר שנמצא בין העמודים. מקדם השבירה הולך ועולה כשנכנסים לעומק השכבות, ככל שהמרווחים בין הננו-עמודים מצטמצמים. הוא ממשיך לעלות גם בתוך השכבה הפנימית, כשהמרווחים בין הגבשושיות מצטמקים.

האם הכנפיים השקופות באמת עוזרות לפרפר כנף הזכוכית לחמוק מטורפים? מחקר שנערך במתקן ייעודי בפינלנד בחן את היכולת של ציפורי ירגזי ובני אדם לזהות פרפרי כנף זכוכית ופרפרים אחרים. הטורפים הטבעיים של פרפרים אלו הן ציפורים ממשפחת המומוטיים (Momotus momota) החיות באגן האמזונס בדרום אמריקה, ולא ירגזים, אך מכיוון שיכולת הראייה של שני מיני הציפורים דומה ומכיוון שהירגזים הם מין נפוץ שקל לעבוד איתו, העדיפו להשתמש בהם. הירגזים נתפסו לצורך הניסוי ושוחררו לטבע לאחר מכן. בניסוי גילו החוקרים שגם הירגזים וגם בני האדם התקשו יותר לזהות את הפרפרים בעלי הכנפיים השקופות, כך שנראה כי אכן השקיפות מגינה על הפרפרים מסכנת טריפה.

ציפור טורפת פרפר לא שקוף | צילום: Butterfly Hunter, Shutterstock
הכנפיים השקופות כנראה מסייעות לפרפרים לחמוק מטורפים. ציפור טורפת פרפר לא שקוף | צילום: Butterfly Hunter, Shutterstock

שקיפות חלקית טובה מחוסר שקיפות

גם צפרדעים משתמשות בשקיפות למטרות הסוואה. צפרדעי הזכוכית ממשפחת הצנטרולניים (Centrolenidae) ניחנות בגב ירוק ובבטן שקופה שחושפת את איבריהן הפנימיים. לכאורה אין לשקיפות הזאת שום יתרון כל עוד הגב וכל האיברים הפנימיים נשארים גלויים, אבל מחקר בהובלת חוקרים מאוניברסיטת בריסטול באנגליה, שהתפרסם לאחרונה, מצא שבכל זאת יש השפעה אפילו לשקיפות החלקית של הצפרדע.

צפרדע הזכוכית מבלה את רוב זמנה על עלים, ובמבט מלמעלה אפשר להבחין איך השוליים השקופים של הבטן עוזרים לה להשתלב בגוני העלים שמתחתיה. לפי ממצאי החוקרים, התכונה הזאת הקשתה על אנשים לזהות את צפרדעי הזכוכית יותר והם מצאו ביתר קלות צפרדעים ממינים אחרים. כך שייתכן שהשוליים השקופים של הבטן הם מנגנון הסוואה מפני טורפים פוטנציאלים.

יותר קשה לראות בעין את הצפרדע בעלת הבטן השקופה. צפרדע זכוכית בצילום מלמטה, ומוסווית על עלה במבט מלמעלה | צילומים: Dr Morley Read,  Rob Jansen, Shutterstock
יותר קשה לראות בעין את הצפרדע בעלת הבטן השקופה. צפרדע זכוכית בצילום מלמטה, ומוסווית על עלה במבט מלמעלה | צילומים: Dr Morley Read Rob Jansen, Shutterstock

הדיונונים שרואים שקוף

שקיפות לא תמיד מספיקה כדי להסתוות ולהתגונן מטורפים. מחקר של פרופ' נדב ששר, כיום במכון הבין-אוניברסיטאי באילת מטעם אוניברסיטת בן גוריון, הראה שדיונון ממשפחת הלוליגיים (Loligo pealei) פיתח מנגנון שמאפשר לו לראות ביתר קלות פלנקטון שקופים. הדיונון ניזון מפלנקטון, ומתבסס בעיקר על חוש הראייה כדי לאתר טרף. אך איך הוא מזהה את הפלנקטון אם הם שקופים?

לשם כך הדיונון משתמש בתכונה פיזיקלית של האור שנקראת קיטוב. קרן אור רגילה מורכבת מגלים שנעים על כל המישורים. אור מקוטב, לעומת זאת, מתקדם רק לאורך מישור אחד מסוים. כשגלי אור פוגעים בעצמים או בבעלי חיים שקופים מסוימים, גלי האור שנעים במישור מסוים עוברים דרכם וכל שאר האור נבלע. כלומר בעלי החיים הללו מקטבים את האור המגיע אליהם.

 זהו אור מקוטב | איור:  Fouad A. Saad, Shutterstock
המקטב מסנן את כל הגלים שאינם נעים על המישור המאונך, ורק האור במישור המסוים הזה ממשיך להתקדם דרכו. זהו אור מקוטב | איור: Fouad A. Saad, Shutterstock

בני אדם יכולים להבחין בקיטוב אור רק בעזרת עדשות מקוטבות. לדיונונים יש מבנים מיוחדים ברשתית העין שמאפשרים להם לראות אור מקוטב. כדי ללמוד אם הדיונון משתמש ביכולת זו לצורך השגת מזון, הניחו סביבו החוקרים חרוזי זכוכית שקופים, שחלקם מקטבים אור וחלקם לא. הם מצאו שהדיונון העדיף בבירור את החרוזים שמקטבים אור על פני אלה שלא. החוקרים מניחים שבאותו אופן הדיונון מצליח לזהות יצורים פלנקטוניים שקופים שמקטבים אור.

העיניים הגדולות של הדיונון לא רק מאפשרות לו לראות היטב באור חלש, אלא גם להבחין באור מקוטב ולזהות את הפלנקטון השקופים | צילום: Konstantin Novikov, Shutterstock
העיניים הגדולות של הדיונון לא רק מאפשרות לו לראות היטב באור חלש, אלא גם להבחין באור מקוטב ולזהות את הפלנקטון השקופים | צילום: Konstantin Novikov, Shutterstock

ביס שקוף מדג שחור

השקיפות משמשת לא רק להסוואה מפני טורפים. דג הדרקון (Aristostomias scintillans) חי במעמקי האוקיינוס וטורף סרטנים ודגים. במעמקי הים אין כמעט אור, כך שהדג אימץ לעצמו צבע שחור שמאפשר לו להסתוות בסביבה החשוכה בלי להתגלות לעיניהם של יצורים שיוכל לצוד. לדג הדרקון יש יכולת של הארה ביולוגית, והאור שהוא מפיץ מוחזר מגופם של יצורי פלנקטון שקופים וכך הוא יכול לזהות אותם. עורו השחור מאפשר לו להיטמע ברקע למרות ההארה העצמית, אבל שיניו הגדולות עלולות להסגיר אותו – ולכן הן שקופות, נטמעות בסביבה ואינן מסגירות אותו.

חוקרים שבחנו את מבנה שיניו של דג הדרקון הופתעו לגלות שהן דומות לשיניים לבנות רגילות, פרט לכמה תכונות ייחודיות. ראשית, המינרל העיקרי שממנו מורכבות שיניים – כולל אלה שלנו, הידרוקסיאפטיט, נמצא בשיני הדג בתור ננו-גבישים בקוטר של 20-5 ננומטר (מיליארדיות המטר). אורך הגל של האור הנראה נע בין 380 ל-750 ננומטר. הננו-גבישים קטנים יותר מאורך הגל הנראה ולכן אינם מפזרים אור והשן נשארת חזקה אך גם שקופה. בנוסף, בניגוד לשיניים רגילות אין בשיני הדג צינוריות דנטין זעירות, המשמשות בין היתר להעברת דם וחומרי מזון נוטריינטים לשן ומפזרות אור בקלות.

שיני דג הדרקון | צילום: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
הגבישים הזעירים אינם מפזרים את האור והשיניים נשארות שקופות. שיני דג הדרקון | צילום: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

הדג שעיניו בראשו

שימוש שונה בשקיפות עושה הדג Macropinna microstoma, המכונה באנגלית "עין-החבית" (Barreleye), על שם צורת עיניו. הוא חי באוקיינוס השקט ויש לו ראש שקוף המזכיר קסדת אסטרונאוט שמגינה על עיניו אך גם מאפשרת לו לראות כלפי מעלה, דרך הגולגולת. הדג, שחי בעומק של 800-600 מטר, היה מוכר למדע זמן רב רק מפרטים מתים שלו שנשטפו לחוף. ב-2004 תיעדה לראשונה צוללת נשלטת מרחוק פרט חי של המין הזה.

לדג מראה מוזר ביותר: מה שנראה כמו עיניים בחזית ראשו זה למעשה האף של הדג, ואילו עיניו הם זוג עיגולים ירוקים זוהרים. רוב הזמן הוא מביט למעלה בחיפוש אחרי יצורי פלנקטון זעירים שמהם הוא ניזון. ב-2009 גילו חוקרים שהדג מסוגל להסתכל גם היישר קדימה. הראש השקוף מאפשר לו את שינוי זווית הראייה העצום הזה.

רואה דרך הראש השקוף. סרטון קצר על הראייה של דג עין החבית (באנגלית):

כעומק החיים כך עומק השקיפות

במהלך מיפוי ודיגום ראשון בהיסטוריה של תשעה הרים תת ימיים באזור איי פיניקס, בלב האוקיינוס השקט, פרסמו חוקרים ממכון שמידט לחקר האוקיינוס תיעוד נדיר של "תמנון הזכוכית" (Vitreledonella richardi). תמנון זה מוכר למדע כבר למעלה ממאה שנה אבל בעיקר דרך דגימות שנמצאו בקיבה של טורפיו. התמנון שקוף לגמרי למעט מערכת העצבים, הקיבה והעיניים. נקבת "תמנון הזכוכית" שומרת מאות ביצים מופרות תחת חלל הגלימה שלה עד שהן בוקעות ומשתחררות לים הפתוח. התמנונים הצעירים שרק בקעו נאלצים לדאוג לעצמם היות והתמנונה מתה מיד לאחר ההטלה. בשלבי החיים הראשוניים "תמנון הזכוכית" הנדיר נמצא בעומקים של 300 עד 400 מטר. ככל שהתמנון גדל הוא מתקרב לפני המים ומגיע עד לעומק של 100 מטר, אך כשהתמנון מגיע לבגרות הוא שוב צולל, הפעם לעומקים של יותר מאלף מטר.

טווח העומקים המגוון שבהם מבלה התמנון במהלך חייו אינו מובן מאליו, והתנאים השוררים בעומקים השונים מבחינת תאורה, סוגי טורפים וסוגי טרף מגוונים ושונים מאוד האחד מהשני. התמנון נמצא במרכז מארג המזון: הוא טורף דגים, תולעים וסרטנים בעזרת מקור חד ובלוטות ארס, אבל גם נטרף על ידי כרישים ודגים גדולים ממנו. במהלך חייו בעומקים שונים התמנון צריך להסתוות מפני טורפים מגוונים וגם לא להתגלות על ידי טרף פוטנציאלי והשקיפות ככל הנראה מסייעת לו רבות. אבל כלי הסוואה חשוב זה מגיע עם מחיר, העין של תמנון הזכוכית צרה יותר מעין ממוצעת של מיני תמנונים אחרים, ככל הנראה כדי להפחית בחלקי גוף שאינם שקופים. אך העין הצרה מגבילה את שדה הראייה האופקי של "תמנון הזכוכית" והוא צר מזה של מיני תמנונים אחרים.

תמנון הזכוכית | צילום: Schmidt Ocean Institute
התאמה מוצלחת למגוון מערכות אקולוגיות בעומקים שונים. תמנון הזכוכית | צילום: Schmidt Ocean Institute

גלימת ההיעלמות של הטבע

כמו גלימת ההיעלמות של הארי פוטר, יש חיות שמסוגלות לזגזג בשעת הצורך ממראה רגיל לשקוף ולהיפך. אחת מהן היא החסילון השקוף (Ancylomenes pedersoni), סרטן שמספק שירותי ניקיון לדגים וניזון מהלכלוך שלהם. החסילון מבלה את רוב זמנו בציפייה ללקוחות פוטנציאליים, וכל עוד הוא במנוחה הוא נשאר שקוף כמעט לחלוטין. אך כשהוא נאלץ לשחות כדי לברוח מטורפים הוא הופך לבן תוך שלוש הצלפות זנב בלבד. חוקרים שבדקו את התופעה גילו שנדרשות לחסילון 60-20 דקות לחזור להיות שקוף.

החוקרים שיערו שהתופעה קשורה לנוזל ההֶמוֹלִימְפָה, שממלא אצל חסרי חוליות תפקידים דומים לאלה של מערכת הדם אצלנו. בשונה מהדם, אצל חסרי חוליות רבים ההמולימפה מקיפה איברים פנימיים באופן ישיר ותופסת חלל גדול בגוף. מכיוון שהחסילון הוא שקוף, האור מגיע גם אל ההמולימפה. כשהחסילון מתאמץ, זרימת ההמולימפה מתגברת כדי להזרים חמצן לשרירים. עקב הריכוז הגבוה שלו, נוזל ההמולימפה מפזר את האור, שחדל בשל כך להיות שקוף ונהיה לבן.

כראיה לכך, כשהחוקרים פצעו חסילון כזה בבטן, האזור הפצוע נהיה לבן למשך תקופת החלמה. החוקרים מעריכים שכפי שהעור האנושי מאדים כשאנחנו מתאמצים, עקב עלייה בקצב זרימת הדם לאיברי הגוף, החסילון מאבד את שקיפותו בשעת מאמץ. העובדה שהוא נשאר שקוף בדרך כלל מעידה שהחסילון מגביל בדרך כלל את הזרמת ההמולימפה לבטן ולזנב שלו ולכן יש כנראה מחסור בחמצן באזורים האלה.

כדי להישאר שקוף כשהוא שוחה, החסילון צריך לשמור על רמות נמוכות של המולימפה בשרירים שלו. מכאן נובע שהיכולת שלו להוביל חמצן לשרירים מוגבלת, מה שגורם לו להתעייף מהר יותר. החוקרים הבחינו שכשהחסילון שוחה בנחת לנקות דגים הוא לא משנה את צבעו, כך ששינוי הצבע קשור כנראה למאמץ רב או למצבי לחץ. כשאילצו את החסילון לשחות במרץ ולכן להלבין, דגים רעבים זיהו אותו בקלות וטרפו אותו. מכאן נובע כנראה שהשקיפות היא תכונה חיונית להישרדותו, והיא משתלמת לו למרות המחיר הכבד שהוא משלם על כך, בדמות חוסר חמצן ומגבלות גופניות.

החסילון השקוף במצב שקוף ובמצב לבן | צילומים מתוך מאמר המחקר
מאבד את השקיפות בזמן מאמץ או מצוקה. החסילון השקוף במצב שקוף ובמצב לבן | צילומים מתוך מאמר המחקר

שקוף שאני מנסה לתקשר איתך

בעוד שהחסילון ניזוק מהמעבר ממצב שקוף לאטום, יש בעלי חיים אחרים שמנצלים את היעדר השקיפות שלהם ל"התפארות". זכריהם של סרטנים זעירים מסוימים ממשפחת הספיריים יכולים לזהור בצבעים מרהיבים כדי לתקשר עם בני מינם ולחזר אחרי נקבות. הצבע נוצר בזכות גבישים משושים העשויים גואנין, חומצת אמינו שקיימת ב-DNA של כל היצורים החיים. הצבעים היפים נוצרים עקב שבירה והחזרה של האור הפוגע בגביש והם תלויים בזווית הפגיעה של האור. כך הספיריים מנצנצים ונעלמים לסירוגין בהתאם לזווית האור.

חוקרים ממכון ויצמן למדע, בראשות סטיב ויינר, ליאה אדדי, דן אורון ותלמיד המחקר דביר גור, בדקו איך זווית האור משפיעה על צבע הספיריים ובאיזו זווית הם חוזרים להיות שקופים. הם הבחינו שכאשר האירו היישר מלמעלה על זכרים של מין מסוים מהמשפחה הזאת (C. mirabilis) הם נראו סגולים. בזווית הארה של 30 מעלות, צבעם הפך סגול עמוק יותר, ואילו בזווית של 45 מעלות צבע הפרטים הגיע לטווח העל-סגול, שאנחנו ורוב היצורים המורכבים איננו מסוגלים לראות. כך הם נהיו בלתי נראים.

מינים שונים של ספיריים זוהרים בדפוסי צבע שונים בהתאם לעומק שבו הם חיים מתחת לפני הים. ככל שמעמיקים יותר במים, פחות אור מצליח לחדור, כך שהיכולת להבחין בצבעים פוחתת בהדרגה בהתאם לאורך הגל. האור הכחול הוא בעל אורך הגל הקצר ביותר בטווח האור הנראה, ולכן גם האנרגיה שלו גבוהה במיוחד ומאפשרת לו לחדור הכי עמוק. מאחר שאורך הגל של האור האדום הוא הגדול בטווח האור הנראה, האנרגיה שלו היא הנמוכה ביותר, כך שהוא הצבע הראשון שנעלם כשמעמיקים במים.

הספיריים שנבדקו במחקר חיים בעומק רב ולכן הם מסוגלים להחזיר היטב את האור הכחול. לעומת זאת, במקומות שעוצמת האור בהם חזקה, כמו על פני המים, אותם סרטנים מחזירים אור על-סגול ולכן איננו רואים אותם. לעומת זאת, ספיריים מהמין S. metallina חיים גם במים רדודים וגם במעמקי הים ומסוגלים להחזיר אור כחול בים העמוק ואור אדום במים רדודים. החוקרים בדקו מה מאפשר להם להתאים את החזר האור שלהם לפי העומק ומצאו שהם מסוגלים להגדיל ולהקטין את הרווחים בין הגבישים שעל גופם, וכנראה זה מה שמשפיע על האור שהם מחזירים.

בין סגול לשקוף. סרטון קצר של הספיריים המשנים צבע ונעלמים (באנגלית):

תכונת השקיפות בטבע היא דבר מורכב ומעניין. מגוון יצורים מכל ממלכת החי משתמשים בה למטרות רבות – רובם להסוואה ולחמיקה מעיני טורפים, אך גם לצרכים נוספים כמו הגדלת שדה הראייה. שקיפות יכולה להיות הפיכה ויש יצורים שעוברים ממצב שקוף למצב נראה כתגובה למאמץ או לזווית פגיעת האור.

לצד יתרונותיה, השקיפות דורשת מבנה מורכב שמחייב התאמות מיוחדות ולכן יש לה מחיר. למשל, כנפי ה"זכוכית" של הפרפר הן דקות ושבריריות במיוחד ואילו החסילון השקוף צריך להגביל את זרימת הדם לבטן כדי להישאר סמוי. כך שלעיתים קרובות היצורים השקופים הם איטיים ושבריריים יותר מיצורים דומים אך נראים. כנראה התכונה המיוחדת הזאת מצדיקה את ההשקעה, אחרת היא לא הייתה מופיעה שוב ושוב במהלך האבולוציה ביצורים רבים ושונים בממלכת החי.

 

תגובה אחת

  • שונית

    כתבה מרתקת