לראות מעיני הצדפות

יש בטבע סוגים רבים של עיניים, והמגוון הרב מדגים בצורה מרתקת את היכולת של האבולוציה לפתור בעיות. האתגר תמיד דומה: לאסוף כמה שיותר אור מהסביבה ולהפוך אותו לאות שיאפשר לבעל החיים למצוא מזון ולהימלט מטורפים ומסכנות אחרות. אך הפתרונות רבים. מחקר ישראלי חדש חושף את המנגנון הייחודי שבו משתמשות צדפות, ומגלה איך הוא מאפשר להן להתמודד עם האתגר ההנדסי של שליטה בכיוון התנועה של האור כדי ליצור תמונה חדה של המציאות.

במחקר שפורסם בכתב העת Science פענחו במעבדות של הכימאים ליאה אדדי וסטיב ויינר והפיזיקאי דן אורון ממכון ויצמן למדע איך צדפות מהמין Pecten Maximus רואות את סביבתן. בשונה מעיני אדם, שמשתמשות בעדשה כדי ליצור תמונה על הרשתית, בכל אחת ממאתיים העיניים של הצדפות יש מראה קעורה שמרכזת את האור. בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים הם מיפו את צורת העין וגילו שהמראה מעוצבת כך שהתמונה נוצרת על אחת משתי רשתיות שמותאמות לראייה בתנאי תאורה שונים ומכיוונים שונים.

עדשה, כמו זאת שקיימת בעין האדם, מנצלת את תופעת שבירת האור. כשאור עובר בחומר שקוף וצפוף יותר מהאוויר, הוא משנה בצאתו את כיוון ההתקדמות שלו. התופעה הזאת מסבירה רבים מהתופעות האופטיות שאנו רואים בעולם הסובב אותנו – למשל, הקש שנראה שבור כשמכניסים אותו לכוס מים.

קרני אור מגיעות ממקורות רחוקים בקווים מקבילים, וכדי ליצור תמונה יש לרכז אותן בנקודה אחת על גלאי – למשל מצלמה או רשתית). עדשות מרכזות מנצלות את תופעת השבירה כדי לייצר תמונה על ידי שינוי רציף של עובי החומר השקוף כך שהוא דק בקצוות העדשה ועבה במרכזה. הקרניים שמגיעות לקצות העדשה משנות את זווית ההתקדמות שלהן יותר מאלה שמגיעות למרכז העדשה. כך פועלת גם עין האדם: עדשה שמרכזת את הקרניים הרחוקות לנקודה על הרשתית.

הצדפה משתמשת בשיטה אחרת לייצר תמונה, ונעזרת לשם כך בהחזרה של קרני אור במקום בשבירה שלהן. השיטה מזכירה מראה קעורה, שמעוצבת כך שקרני אור שפוגעות בנקודות שונות מוחזרות בזווית שונות, וכך נוצרת התמונה. במנגנון כזה השתמש אייזק ניוטון בטלסקופ שתכנן, שנקרא על שמו: טלסקופ ניוטוני. בניגוד לעין האדם, שבה הרשתית נמצאת מאחורי העדשה, בעיני הצדפות היא נמצאת לפני המראות.

שתי דרכים לרכז את האור בשטח קטן: עדשה מרכזת ומראה קעורה. הצדפות משמשות במראות | איור: גל וינר ומריה גורוחובסקי

מערכות אופטיות חדשות

החוקרים צילמו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק את מבנה העין של הצדפה כדי לקבל מפה תלת-ממדית מפורטת של העין. בחלקה האחורי של העין מסודרות שכבות רבות של אריחים מלבניים העשויים גואנין, שהוא אחד המרכיבים של ה-DNA ולכן קיים בשפע בגוף הצדפה. אורכה של כל צלע אריח היא כמיקרון אחד – מיליונית המטר – כלומר בערך מאית מרוחבה של שערה אנושית. היכולת של מבנה הלוחיות להחזיר אור תלויה בצבע האור שפוגע בהן, ומתברר שהשכבות מסודרות בצורה שמחזירה בצורה מיטבית את האור הכחול המצוי בסביבתן הטבעית של הצדפות.

שכבות הגואנין מסודרות כך שהן מחזירות בצורה מיטבית את האור הכחול | איור: גל וינר ומריה גורוחובסקי
 

המפה התלת-ממדית המפורטת איפשרה לחוקרים לא רק לברר איך נראה מנגנון החזרת האור, אלא גם לבדוק לאן בדיוק מרוכז האור. להפתעתם הם גילו שאין נקודה אחת שהקרניים מתרכזות בה. צורת המראה מחזירה קרניים שמגיעות מכיוונים שונים לאחד משני אזורי חישה, או אם נקביל את זה לעין אדם, שתי רשתיות. אחת מהן מאפשרת לצדפה לקלוט בעיקר אור היקפי מסביבתה הרחבה והשנייה מותאמת יותר לקליטת אור ישיר ותנועה שעלולים להיות קשורים לתוקף בסביבתה הקרובה.

אפשר לחשוב על מבנה העין של הצדפה כשילוב של הנדסה של מבנים קטנים עם הנדסה של מבנים גדולים יותר: מבנים שאורכם מיקרונים בודדים מחזירים את האור הנכנס לעין ומבנה העל שאורכו מילימטר, ומורכב ממיליוני לוחיות בודדות באורך של מיקרון ממקד את האור אל עבר הרשתית. יש לזכור שאין לצדפה עין אחת או שתיים, אלא מאתיים עיניים שמסודרות לאורך כל גופה ומכוונות כמעט לכל הכיוונים. יחד הן מחווטות אל אותו מרכז חישה.

תלמיד המחקר בן פלמר, שהוביל את המחקר, אומר שהשאלה איך העיניים פועלות יחד כדי ליצור תמונה עדיין פתוחה למחקר עתידי: "מדוע יש לצדפה כל כך הרבה עיניים? האם הן יוצרות יחד תמונה עם תחושת עומק? האם עיניהן של צדפות דומות שחיות בעומקים אחרים מחזירות אור בצבעים אחרים? יהיה נהדר לברר את הסוגיות האלה עד תומן".

פלמר הוסיף שהצדפה יכולה לתת השראה למדעני חומרים ומהנדסים שמעוניינים לייצר חומרים שמחזירים או שוברים אור בצורות מיוחדות המותאמות לצרכי המשתמש: "רבים מהחומרים ומההתקנים האופטיים שמופיעים בטבע מתפקדים בצורות הרבה יותר מתקדמות מההתקנים הטובים ביותר שבני אדם יודעים לייצר. האם נוכל לרתום את הטריקים האלה לייצור מערכות אופטיות חדשות?"