مقالات الباحثون
كيف نتعلم من إبصار الخنفساء..إعداد: د.سائر بصمه جي

الجُعَل اسم يُطلق على مجموعة كبيرة من الخنافس، إذ يوجد نحو 20 ألف نوع منها تقريباً. بعض أنواع هذه الخنافس تتغذى بالنباتات في بعض الدول، وتلحق أضراراً بالمروج والمحاصيل. وثمة أنواع أخرى تتكاثر في الروث، وأحياناً تقوم بتكوير الروث، ثم دحرجته إلى جحورها تحت الأرض، لاتخاذه غذاء لليرقات، ثم تقوم بوضع البيض في هذه الكريات.
لقد حظيت هذه الحشرة بعناية مقدسة من قبل المصريين القدماء فقاموا بحفر أشكالها من الأحجار والمعادن، واستخدموها تعويذات، وكانت تسمى هذه الأشكال الجُعلات. وكان قدماء المصريين عادة ينزعون قلب الشخص الميت ويضعون مكانه خنفساء ضخمة محفورة، وأحياناً مرصعة بالأحجار الكريمة أثناء التحنيط.

صورة 1
اتخذ قدماء المصريين كُريَّات الجُعَل المقدس رموزاً للعالم. وكان قدماء المصريين يعتقدون أن النتوءات الموجودة في رؤوس الخنافس رموز لأشعة الشمس. والخنفساء المقدسة عند قدماء المصريين، كانت ترمز أيضاً إلى البعث والخلود.
 
في عام 2010 نشرت دراسة في مجلة نيوسينتيست الأمريكية تشير إلى إمكانية الاستفادة من آلية الإبصار لدى الخنفساء للرؤية في الليل في بعض التقانات.
بدأ بحث هذا الموضوع إيريك ورانت، الذي طبق دراسته على خنفساء الروث في عام 1985 وحاز على شهادة الدكتوراة من الجامعة الوطنية الأسترالية في كانبيرا، وسرعان ما أبدى اهتمامه بالبصريات إلى أن شُغِفَ بالعيون.
وقد كان أكثر ما يأسره ويشده هي تلك العيون التي ترى في الظلام الداكن سواء تلك التي تراوغ وتتفادى الأشياء أثناء الطيران في الغابات أثناء الليل، أو تلك التي تسبر أعماق المحيط الدامس.
خنفساء الروث هي الأقرب لقلب وارنت لأنه يوجد أنواع من جنس (أونيتيس) التي تماثلها تقريباً لكنها تطير في أوقات مختلفة. إنها النوع الذي يطير في وضح النهار ولديها عيون تكيفت لترى في ضوء الشمس. أما نوع (أونيتيس أليكزيس) الغسقية والتي يقوم بملاحقتها قد تكيفت لترى في الضوء الخافت إما في الفجر أو عند المساء. ثمة نوع ليلي أيضاً مثل (أونيتيس أيغولوس) وتوجد أبعد قليلاً في الشمال. يقول وارنت: "إن النوع بأكمله مثير وممتع، فهي مجموعة مرتبطة جداً حيثما حلّت وبكل نماذج الحياة ويمكنها أن تتأقلم مع المتغيرات الموجودة في عيونها ووظائفها العضوية كي تتلائم مع مواقع الضوء المختلفة".
قام ورانت بمقارنة هذه الخواص مع أنواع الخنافس المختلفة، وأيضاً في النحل والعث التي تطير ليلاً. الآن، وبمساعدة عالِمَي الرياضيات وخبراء في هندسة سيارة تويوتا، قاموا بتطوير آلة تصوير مميزة.
تهتم حالياً شركات صنع السيارات بأنظمة رؤية ليلية التي قد تضمن الأمن والسلامة وذلك بمراقبة إشارات النوم لدى السائق أو عندما يكون ثملاً أو بتفحّص الطريق الأمامي من أجل أخطار محتملة. بضعة مركبات كانت في الطليعة من هذه السلسلة، لكن لدى التصاميم الحالية عوائق واضحة. في الليل يوجد ضوء أقل بمليار مرة مما يوجد في النهار، وآلات التصوير هذه ليست حساسة بما يكفي للقيام باستعمالها بشكل جيد وكما ينبغي لها أن تكون. وهكذا فإن أنظمة الرؤية الليلية تعتمد على الأشعة تحت الحمراء والتي لا يمكن رؤيتها بعيوننا. تعمل آلات التصوير على نظام أحادي اللون وهي تقوم بكشف تفاصيل ليس بإمكاننا أن نراها عادة، مازال يوجد مجال واسع للتحسين والتطوير.
كان جوناز (يونس) أمبيك مادسين وهيروميتشي من شركة سيارات تويوتا الأوربية آر و دي في بروكسل ببلجيكا يبحثون عما يلهمهم من خلال الطبيعة ليحلوا الصعوبات التي تتحداهم في تصميم المركبات. ثم قاموا سوية مع زملاء لهم في اليابان بتبني عمل ورانت عن الحشرات الليلية.
وبالعمل مع زميله ألموت كيلبر في جامعة لند، بيّن ورانت أن كلاً من النحل الليلي والعث أيضاً لديهما قدرة رائعة على أن يريا في العالم الليلي وبتفاصيل دقيقة، وذلك ليميزوا الألوان ويجدوا الطعام ويقوموا بالتزاوج ويهربوا من المفترسات ويتجنبوا الاصطدام بالأشياء. يقول أمبيك مادسين: "بدأنا بمشاهدة إمكانية تطبيق عمل الرؤية الليلية على حساس رؤية مبتكر". والهدف من ذلك هو اختراع آلات تصوير قادرة على التقاط مشاهد ليلية بالألوان الطبيعية والحقيقية، وأيضاً العمل على مدى السطوع والظلال أكبر من إمكانية العمل على تقنية رؤية ليلية تقليدية.
ثمة الكثير من الطرائق لتحسين أداء آلة تصوير في الضوء الخافت. تماماً مثل الحدقات في عيوننا تصبح أوسع في الظلام. فمن المحتمل أنّ فتح فتحة لعدسة آلة تصوير يتيح دخول ضوء أكثر. ولالتقاط صور ثابتة، تبقى الدرفة مشرعة لإنتاج صور لمدة أطول تماثل وقت العرض. ومن المحتمل أيضاً بناء كاشفات وذلك بزيادة حجم نقاط حساسية عناصر الضوء وذلك في حالة آلة التصوير الرقمية، أو بزيادة المواد الكيميائية في حساسية الضوء في حالة الفيلم العادي التقليدي.
هذه التعديلات وحدها لا تكفي ولا تفي بالغرض لابتكار أداة عملية من أجل مشاهدة الصور المتحركة الذكية، لكنه ممكن في حشرات ورانت.
لدى كل من النحل والخنافس والعث عيون مركبة بعدسات متعددة التي تجمع صورة واحدة على صف سفلي من خلايا مستقبلات حساسة للضوء. نظرياً هذه العدسات لعلها أسوأ جداً في الرؤية الليلية في عين الإنسان، لكن طريقة الخلايا في النظام البصري لدى الحشرات يعالج الضوء، أي أنه باستطاعتها أن تستخدمها أفضل بكثير في الضوء الخافت المتوفر.
وبما أن مستويات الضوء تسقط، فإنه يمكن للربط العصبي في الحشرة تجمّع الإشارات في مستقبلات الصور المجاورة أو تجمّع الإشارات لفترة طويلة أكثر، هكذا يقول ورانت. فهذه الإستراتيجية ليست مثالية: مما يجعل التجميع أمراً صعباً بمرور الوقت لاكتشاف الحركة، في حين التجميع في الفراغ يبعد التفصيل المكاني. مع ذلك، على ما يبدو أن عيون الحشرات تستطيع أن تبادل بين الإستراتيجيتين وذلك بالاعتماد على مقدار الضوء المتوفر وكم سرعة الحشرة التي تتحرك بها قياساً إلى ما يحيط بها.

عيون مذهلة
في عام 1991، طوَّر ورانت نموذجاً رياضياتياً ليصنع ما هو الأفضل لإستراتيجية تجمع مؤقت لأي كثافة ضوء وسرعة معطاة لحركة الصورة. لكن يعتقد أن عيون الحشرات هي أكثر تعقيداً من ذلك بكثير. جمَع نموذجه الأولي مستوى واحد للتجميع المؤقت وطبّقه على مجال رؤية كاملة، لكن البحث في لند يفترض أن ثمة استمراراً أكثر في نظام رؤية الحشرات. تقوم الحشرات بمبادلات مختلفة لمختلف أجزاء الصورة، حتى أنها تقوم بتحسين الرؤية في كل جزء وعلى حدة بشكل مستقل.
نظرياً، منطقة واحدة من شبكية عين الحشرة قد تجمع الفوتونات (أصغر جسيم في الضوء) الداخلة لفترات طويلة لتختار تفاصيل واحدة تقع أمامها مباشرة، في حين تجمع المستقبلات الفوتوغرافية الإشارات.
يدعو ورانت هذه الآلية "بالتمهيد المؤقت للتكيف الموضعي" وقد أصبحت هذه الآلية مصدراً للإلهام لنوع جديد من حساب معالجة الصورة الرقمية وقد طور هذه الآلية عالمي الرياضيات هنيريك مالم وماغنوس أوسكارسون مع ورانت، وأيضاً تم ذلك في جامعة لند مع المهندسون في شركة سيارات تويوتا.

صورة 2
سيتم الاستفادة من أنظمة الإبصار الليلي لدى الخنفساء لتطوير أجهزة خاصة بالسيارات تفيد السائقين.

لفهم كيف يتم عمل هذه الآلية، سنتخيل (مسجل وحيد) بآلة تصوير مزودة بفيديو رقمي. تكون المعلومات مختزنة في ذاكرة آلة التصوير كصف مستطيل يحوي على مئات الألوف من الأعداد، كل عدد يمثل كثافة الضوء التي تسجلها نقطة ضوئية على رقاقة كاشف ضوء آلة التصوير. الخطوة الأولى في اختلاف الفريق في الحسابات الرياضية نوعاً ما في تقنية معالجة الصورة التي تحسن السطوع والتباين.
ستحوي الصورة المثالية المسجلة ليلاً الكثير من النقاط الضوئية مع أرقام متوالية قريبة من الصفر وربما بضعة أرقام عالية (حول الأضواء الساطعة). الخطوة الأولى تكمن في توسيع مدى الأرقام المتدنية جداً، بينما يتم الضغط على سلسلة أرقام السطوع. هذا التضخيم اللاخطي للسطوع يكمن في تلك الأجزاء من الصورة التي تحوي على أغلب المعلومات في حين يترك التضخيم الأجزاء الأخرى دون تغيير ولا تبديل. وهذا يماثل ما يحدث في الإشارة العصبية الصادرة من خلال المتلقي في شبكية عين الحشرة إلى طبقة الخلايا المعالجة، هكذا يقول ورانت.

صورة 3
من أجل أخذ صورة في ظلام دامس تقريباً، يمكن لهذا التعديل أن يكشف بعض التفاصيل. إنما تترك صورة حُبيبية وذات بقع لأن أي فوتونات متناثرة وتشويش إلكتروني سيخضع للتضخيم أيضاً. الخطوة التالية للتخفيض من التشويش الزمني يتم تصحيحها لمعالجة هذا الأمر. وحسب رأي (مالم) فإن الجزء الأكثر إلهاماً مباشرة يكمن في رؤية الحشرة.

إنها تعمل بجمع الإشارات في النقاط المجاورة في كل من المكان والزمان، وذلك في خضم البحث آلياً عن أفكار لتحديد الكمية القصوى للتجميع لكل صورة. رياضياتياً، هذا مساوٍ للإعداد الأفضل لانقضاء الوقت وحجم النقطة الضوئية على نحو مستقل لكل موضع وفي كل إطار.
للقيام بهذا، تقارن العمليات الحسابية القيمة المختزنة في كل نقطة ضوئية وتبحث عن أي استمرارية أو أي ارتباط عبر الإطار, وعمليات كهذه تبيّن الأجسام الحقيقية. في أثناء ذلك، إن حدوث أية إشارات في لقطة ضوئية أو نقطتين في إطار واحد على الأغلب هي تشويش وبالإمكان إزالتها.
تبحث العمليات الحسابية أيضاً على أنماط تتكرر في إطارات متلاحقة لاكتشاف الحركة، وبالاعتماد على وجود سرعة الحركة، التي تتوافق مع درجة التجميع الزمني والمكاني بين نقطتين ضوئيتين. وحيث يكون الجسم ذو الحركة السريعة، فإن الجسم بين إطارين يجب أن يبقى منخفضاً لتجنب الغشاوة، وتعتمد العمليات الحسابية أكثر على التجمع المكاني ضمن إطارات وحيدة. وعندما تكون الأجسام ساكنة فبوسع العمليات الحسابية أن تتجمع بمرور الوقت وتلتقط تفصيلاً مكانياً أكثر. ومع ذلك، فإن النقاط الضوئية المتجمعة بهذه الطريقة تأتي بقيمة. يقول ورانت: "تنخفض دقة التفصيل المكاني، لكن التفاصيل الخشنة المتبقية يمكن رؤيتها أكثر بكثير وبوضوح".
الخطوة النهائية في العمليات الحسابية تساعد على معرفة شدة وضوح الصورة وذلك بتوضيح الحواف التي قد كانت مفقودة أو غير واضحة أثناء علميات التقليل في التشويش. وقد تم مؤخراً استخدام شدة الوضوح بشكل موسع بعدد من العمليات الرياضياتية التي تعالج الصور. لكن هذا الفريق وجد أن مستويات السطوع في النقاط الضوئية المجاورة تكشف توقفاً بين منطقتين لأنها تستخدم مبدأً يدعى "المنع الجانبي"، وأيضاً عثروا في النظام البصري زيادة في كثافة الضوء على الجانب البرَّاق للحافة ونقصان من الجانب المعتم. ساعد على هذه العملية التحديد والتعرف على الأجسام حتى إذا هم ما تحركوا أو تحركت آلة التصوير.

صورة 4
يمكن للخنفساء أن ترى بشكل جيد في حالة الظلام الدامس.

كانت عمليات حسابهم ذات النموذج الأولي بطيئة نوعاً ما: فكان لابد أن تدور طوال الليل فقط لتحلل لقطة فيديو قصيرة. لكن باستخدام نموذج قطار مثبت بآلة تصوير فيديو صغيرة، كانوا قادرين على التحكم بالحركة وشروط الإضاءة بدقة في حين هم يقومون بالعمليات الرياضياتية بإتقان. بعد أشهر وبعد مزيد من الاختبارات وبعض المناقشات الحيوية وجدوا أخيراً حلاً وجاؤوا بنسخة مخططة متواصلة لبرنامج يعمل ذاتياً في الوقت الفعلي. وحتى بالصور المعتمة والمشوشة في سيارة تسير بسرعة عالية. إنها أيضاً تتأقلم مع مستويات الضوء العام آلياً. تكمن هذه الحيوية حول: نظام النسخة الليلية المغشى ببريق عربة مقبلة والتي تسير بلا سائق.
افترض الفريق أنه كان عليهم أصلاً أن يصمموا رقاقة معالج خاصة لتقوم بالحسابات الرياضية وأن يضعوا هذه الرقاقة داخل آلة تصوير فيديو رقمية، كما يقول /مالم/. في الحقيقة، كانت وحدة المعالجة لبطاقة الصور PC التقليدية قوية بشكل كافٍ لتقوم بهذا العمل وتفي بالغرض، وقد استطاعوا أن يوافقوا جيداً الحسابات الرياضياتية مع تحليل الصور من آلة تصوير تحمل أقنية بثلاثة ألوان الأحمر والأخضر والأزرق وذلك في آن واحد وفي وقت معين. بعد ثلاث سنوات من بدء المشروع، كان لدى الفريق طريقة لالتقاط الصور المتحركة بألوان كاملة أفضل مما ترى عيون البشر في الظلام الحالك تقريباً.

منع التحطم
سُرّ أمبيك مادسين وياناغيهارا بالنتائج. يستعمل النظام آلة تصوير رقمية مناسبة ومعالجاً دقيقاً، لهذا من الممكن أن تبقى الكلفة منخفضة على حد قول ياناغيهارا وما يبهج حقاً هو ذلك التعاون الذي تم بين الأطراف. يجرب الباحثون الآلة في مختبر شركة سيارات تويوتا، وهم يعتقدون أنه من الممكن أن يقولوا كيف يمكن استعمال هذه التقنية في المركبات. فعساها أن تشكل جزءاً من عرض بالنسبة للسائق، فعندما تحسّ هذه التقنية بوجود شخص يسير على الطريق أمامها، أو ربما حتى كجزء من آلية أوتوماتيكية مانعة للتحطم.
على كل حال، النظام ضمن الاستخدام، فالفريق متأكد بأن أداء رؤية السائق في حالة تحسن في الليل، خصوصاً عندما يقوم بالمرور من الطريق أكثر من مرتين، كما ستكون السمة الرئيسة في تصاميم سيارات الغد.

مرجعية ضوئية فلكية
وفي أحدث دراسة عن الخنفساء نشرت عام ٢٠١٣، أثبتت ماري لاك بجامعة لند بالسويد أن حشرة الجعران أو خنفساء الروث تحدد اتجاه حركتها فلكيّاً متتبعة الضوء الصادر من مجرة درب التبانة. بعد أن كان الاعتقاد السائد أنها تعتمد على ضوء الشمس وضوء القمر المستقطب. ومن المعروف أن خنفساء الروث تضع بيضها في كُرَات الروث التي تجمعها وتدحرجها في خط مستقيم حتى تصل إلى مكان آمن غالباً ما يكون تحت الأرض لتقتات عليها مبتعدة بذلك بغنيمتها عن الخنافس الأخرى. وقد أثبتت ماري لاك ذلك بعد أن وجدت أن الخنفساء تسير في حركة دائرية. وتفقد طريقها عند وضعها في أسطوانة مغطاة بالكامل بالمقارنة بوضعها في نفس الأسطوانة ولكنها مغطاة جزئياً بشكل يحول دون دخول ضوء القمر ويسمح بدخول ضوء النجوم. ثم نُقلت التجربة إلى مرصد فلكي لإظلام بعض النجوم وإضاءة البعض الآخر فوجدت أن الخنفساء تتبع الضوء المتدرج النابع من درب التبانة في الأساس. وبذلك تكون المرة الأولى التي يثبت فيها علمياً لجوء الحشرات للنجوم لتحديد اتجاهها.
هذه التقانة لم يعرفها الإنسان إلا مؤخراً، وذلك بإرسال مركبات وسوابر فضائية تتخذ من مواقع النجوم "الثابتة" في مجرة درب التبانة مرجعية فلكية لها لتحديد موقعها بالنسبة لبعدها عن الأرض وبالنسبة للجرم المتوجهة إليه.
وقد تكشف لنا الأيام القادمة المزيد من أسرار هذه الحشرة وغيرها مما تزخر به الحياة على كوكب الأرض.

 

جميع الحقوق محفوظة ل موقع الباحثون 2017