בצבתות העקרב

הם מתהלכים על פני כדור-הארץ כבר יותר מ-400 מיליון שנה. אפשר למצוא אותם בכל מקום בעולם ובכל תנאי האקלים – למעט אנטארקטיקה. הם קניבלים מתבודדים שעלולים לטרוף קרובי משפחה, ואף את צאצאיהם, אך מסוגלים להתנזר ממזון חודשים ארוכים, והם זוהרים בחושך (כשמאירים אותם באור אולטרה-סגול). העקרבים, ממשפחת פרוקי הרגליים, הם חסרי חוליות בעלי שלד חיצוני המכונה "קוטיקולה" (cuticle) וזוג צבתות רב-תכליתיות שמשמשות להגנה, לטרף, לחפירה ואף לחיזור ולהתרבות. מדעני מכון ויצמן למדע פענחו באחרונה את המבנה ההיררכי הרב-שכבתי של השלד החיצוני של צבתות העקרב – מהרמה הננומטרית ועד לזו המילימטרית. מבנה מתוחכם זה, שמאפשר לעקרבים לשרוד בתנאים קשים ביותר, עשוי לשמש השראה בתכנון ובעיצוב חומרים מרוכבים חדשים לתועלת האדם. 

משריונות צבים וקרני איילים ועד תרמילי זרעים של צמחים, קבוצת המחקר של פרופ' דניאל וגנר מהמחלקה לחומרים ופני שטח חוקרת מבנים שהתפתחו בטבע והשתכללו לאורך מיליוני שנות אבולוציה. זאת, מתוך כוונה לרתום את "חוכמת הטבע" לשיפור התקנים רבים מעשה ידי אדם – ממטוסים ורובוטים ועד גלשני רוח ובגדים עמידים במים. הודות לרב-תכליתיות שלו, השלד החיצוני של פרוקי הרגליים הפך לנושא מחקר משמעותי בתחום פיתוח החומרים בהשראת הטבע. "מחקרים רבים בשנים האחרונות הוקדשו למבנה הקוטיקולה של סרטנים ולובסטרים. הקוטיקולה של צבתות העקרב בנויה להתמודדות עם מאמצים מסוגים שונים – מהגנה מפגעי מזג האוויר ועד חפירת מחילות בקרקע, אך זכתה להרבה פחות התייחסות מחקרית", מספרים תלמיד המחקר ישראל קלרשטיין ומדענית הסגל ד"ר שיאומנג סוי מקבוצתו של פרופ' וגנר.

על אף שקיימים מאות זנים של עקרבים, מבנה הגוף שלהם דומה להפליא בכל מקום – בחוף וביער, בהרים ובמדבר – להוציא שינוי אחד: גודל הצבתות. ההבדלים בגודל הצבתות מולידים הבדלים משמעותיים בהתנהגות. "עקרב בעל צבתות דקות יעדיף להשתמש בהן כדי לאחוז בטרפו רגע קט ומיד לעקוץ. עקרב בעל צבתות עבות ישתמש בהן כדי למחוץ את הטרף", מסביר קלרשטיין. "צבתות עבות משמשות גם להגנה – למשל לחפירת גומחות בקרקע ולחסימתן". בסיוע רשות הטבע והגנים ומרכז דוכיפת לצפרות ואקולוגיה בירוחם, אסף קלרשטיין מאזור שדה בוקר עקרבים בוגרים הנבדלים בגודל הצבתות שלהם – עקרב עב-יד צהוב (Scorpio Maurus Palmatus), אשר כשמו כן הוא, וצרבן ישראלי (Israelis Occitanus Buthus), שהינו בעל צבתות דקות יותר, במטרה להבין מה הקשר בין מבנה הקוטיקולה בצבתות לתפקודן ולתכונותיהן המכניות.

הקוטיקולה של הצבתות הדקות בנויה לתנועה מהירה ומדויקת המאפשרת ללכוד טרף קטן וזריז, בעוד זו של הצבתות העבות חזקה יותר – ולכן מספקת הגנה טובה יותר"

צבתות העקרב, בין אם הן עבות או דקיקות, מורכבות משוק נייחת (tibia) ומ"אצבע" ניידת (tarsus). בדומה לפרוקי רגליים אחרים, הקוטיקולה שלהן עשויה מחומר מרוכב של סיבי כיטין המאוגדים בחומר חלבוני מוקשה בשילוב יונים של מתכות. עם זאת, המבנה ההיררכי של שלד העקרב מורכב בהרבה מזה של בעלי צבתות אחרים: החוקרים גילו כי לקוטיקולה של הצבתות שמונה רמות היררכיה – ורמת ההיררכיה השנייה במספר מחולקת לארבע תתי-שכבות, בניגוד לשלוש בלבד בלובסטרים ובסרטנים. השכבה החיצונית ביותר ברמה זו היא האפיקוטיקולה – שכבה בעובי מאות ננומטרים בלבד, שאין בה סיבי כיטין והיא אינה תורמת דבר מבחינה מכנית; השכבה הבאה אחריה, האקסוקוטיקולה, מורכבת מארבע תתי-שכבות בעקרב בעל הצבתות העבות (בעובי של כ-20 מיקרון) ומשתי שכבות בלבד בעקרב בעל הצבתות הדקות (בעובי של כעשרה מיקרון); לאחר מכן מופיעה השכבה שמקומה נפקד בבעלי צבתות אחרים: שכבה המורכבת מלוחיות דקיקות (lamellae) אנכיות, שמורכבות בתורן משכבות של סיבי כיטין לא רצופים בעלי כיווניות אחידה; ולבסוף האנדוקוטיקולה – השכבה הפנימית ביותר הבנויה במבנה "בוליגאנד" (bouligand): ערימת שכבות המונחות זו על זו בזווית כך שנוצרת ספירלה המסתובבת 180 מעלות סביב צירה. במקרה של העקרב בעל הצבתות העבות, תתי-השכבות באנדוקוטיקולה מתעבות בהדרגה, בעוד אצל בן דודו הדקיק יותר, הן מתעבות ומידקקות לסירוגין.

פענוח המבנה המתוחכם של השלד החיצוני בשני זני העקרבים העלה כי הקוטיקולה של הצבתות הדקות בנויה למהירות יותר מאשר לכוח – ולכן מאפשרת לעקרב ללכוד במהירות ובדיוק טרף קטן ומהיר, בעוד הצבתות העבות הן חזקות יותר מאשר מהירות – ולכן מספקות הגנה טובה יותר לעקרב עב-הצבתות. "מרמת הסיב הבודד ועד הרמה הנראית לעין – לכל רמה במבנה ההיררכי של הקוטיקולה תכונות מכניות ייחודיות אשר יחד מאפשרות רב-תכליתיות", מסכם קלרשטיין את הממצאים. בהמשך ימדדו המדענים את התכונות המכניות גם ברמת המקרו של הקוטיקולה כדי להבין את עמידותה בעומסים שונים. מדידות אלה לצד פענוח המבנה יאפשרו להכין חומר מרוכב סינתטי בעל יכולות מכניות משופרות בהשראת קוטיקולת העקרב.