بيت العنكبوت ... الطبيعة المهندسة

ينسج العنكبوت بيوته للسكن والتكاثر والتخزين، وهي شرك للكائنات الصغيرة التي يلتهمها العنكبوت عند وقوعها في حبائله. وهذه البيوت تبنيها أنثى العنكبوت(!) بواسطة خيوط حريرية تخرج من مغازل في أسفل بطنها. للعنكبوت ثمانية أرجل وعدد من العيون البسيطة أو المركبة يصل عددها إلى ثمانية أيضاً وذلك بحسب نوع العنكبوت الذي أحصى منه حتى الآن نحو 47 ألفاً من الأنواع!

والعنكبوت يبني بيته بقذف خيط من مكان ما، فإن علق بشيء شده العنكبوت، وكرر المحاولة ثلاث مرات مشكلاً هيكلاً على شكل Y يكون هو في مركزه، ثم ينسج حوله لولباً مشكلاً بذلك الهيكل الأولي للبيت، الذي سيستخدمه لبناء البيت النهائي، ناشراً عبره خيوطاً قطرية ثم خيوطاً لولبية. يصل قطر البيت لدى بعض أنواع العنكبوت أكثر من مترين الذي له أن يكون مصيدة لصغار الطير والخفاش أيضاً حيث يقوم العنكبوت بقتلهما بواسطة نوع من السم السائل. وفي العموم فإن العنكبوت يعرف بوقوع فريسة في مصائده من الاهتزاز الذي تنقله الخيوط الذي سيفيده في تحديد إحداثيات الفريسة، وكذلك في معرفة أن ذكر عنكبوت قد أتاها زائراً باهتزازاته الخاصة المختلفة عن اهتزازات الفريسة. وزائرها الذكر يأتيها ليلاً حاملاً معه بعض الطعام ليكون ضيفاً مقبولاً. تلتهم الأنثى الحيوانات المنوية التي يضعها الذكر أحياناً على بيت عنكبوتي ينسجه هو، وفي أنواع من العنكبوت تلتهم الأنثى الحيوانات المنوية والذكر معاً لأن ذلك قد يزيد من خصوبتها!

من المعروف أن خيوط العنكبوت هي من أكثر من المواد مقاومة للانقطاع عن طريق الشد. وهي المقاومة التي يعبر عنها بمقدار القوة المستعملة في شد الخيط منسوبة إلى قطر (مقطع) الخيط. وهذه النسبة هي أعلى منها من النسبة الخاصة بالفولاذ مثلاً وتزيد عنه بين مرتين وثلاث مرات بحسب نوع العنكبوت. كما أن للخيوط عامة (وليس خيط العنكبوت فقط) خواص ميكانيكية مثل التمطط Elasticity التي تعني إمكانية شد خيط واستطالته نتيجة الشد مع عودته إلى وضعه الطبيعي عند تركه حراً، مثال ذلك خيوط المطاط. خاصية أخرى تتمثل فيما يسمى "اللدونة Plasticity" التي تتمثل في شد الخيط وتناسب الاستطالة مع الشد ولكن دون أن يعود إلى وضعه الطبيعي عند تركه حراً، مثال ذلك خيوط البلاستيك. ولخيوط معظم المواد خاصية تتمثل في جمع خاصتي التمطط واللدونة. حيث يكون لها في البداية التمطط، ومع ازدياد قوة الشد تتصرف بحسب خاصية اللدونة إلى أن تنهار وتنقطع. مثال ذلك النابض الذي يتمطط عند شده بلطف وسيكون له سلوك لدونة إذا زادة قوة الشد (ولن يعود إلى وضعه الطبيعي) وعند الاستمرار في الشد يصبح النابض مجرد سلك!

وفي دراسة* نشرتها مجلة "ناتشر Nature" عن بيوت العنكبوت وهندستها. ومن بين نتائج هذه الدراسة أن خيوط العنكبوت لها خاصية فريدة هي التمطط أولاً ثم اللدونة ثانياً ثم التمطط من جديد قبل الانهيار والانقطاع. وهذه الخاصية عند دمجها بهندسة البيت القطرية واللولبية، تؤدي إلى بيت يقاوم الانهيار على نحو لافت. قام الدارسون بإنشاء (حاسوبياً) بيت عنكبوتي من خيوط مطاطية وبيتاً من خيوط مطاطية-لدنة وثالثاً من خيوط لها خواص الخيوط العنكبوتية (مطاطية-لدنة-مطاطية). وتم تعريض البيوت الثلاثة لعوارض خارجية. تحملت البيوت الثلاثة رياحاً حتى سرعة 60 متراً في الثانية. ولكن بيت الخيوط العنكبوتية كان تحمله ست مرات أفضل من البيتين الآخرين عند اصطدام حشرات به. وعند تعرض البيت العنكبوتي لتمزق خيط قطري فيه نتيجة الاصطدام، فإن هذا التمزق يكون قابلاً للإصلاح على نحو أفضل بكثير من البيوت الأخرى أو دون أن يكون أثر ذلك كبيراً كما تبين الأشكال الآتية:

لا تزال الطبيعة المهندسة الأكثر مهارة!

* S. Cranford et al., Nonlinear material behaviour of spider silk yields robust webs, Nature 482 (2012) p72