בממלכת החיות ישנן דוגמאות רבות למיני בעלי חיים שפיתחו מומחיות שמסייעת להם לאתר את טרפם באמצעות אותות סביבתיים. כמה מהדוגמאות לכך הן של עופות דורסים שונים, שצוללים לכיוון המים ותופסים דגים באמצעות טפריהם, דובים שחורים שמריחים את טרפם גם ממרחק של 2 ק"מ וברווזנים ששוחים כשעיניהם, אוזניהם ונחיריהם סגורים ואטומים מפני כניסת מים, בזמן שהמקור שלהם משמש כגשש תחושתי על בסיס זיהוי של מטענים חשמליים, המאפשר להם ללכוד את מזונם.
בדומה לכך, גם צפעוני גומה (Pit Viper) - תת-משפחה של צפעיים - ניחנים ביכולת ייחודית לאיתור המזון שלהם. נחשים אלה, שנמצאים במגוון רחב של בתי גידול, מג'ונגלים ועד מדבריות, משתמשים בחיישני אינפרה אדום רבי עוצמה הממוקמים ליד נחיריהם כדי לצוד טרף בחשיכה על ידי חישה, אפילו בשינוי הטמפרטורה הקטן ביותר - והם משיגים זאת באמצעות תעלות יונים (מבנה עשוי חלבונים הממוקם בקרום התא של כל התאים החיים) רגישות תרמית שהן זהות למנגנון החושי של בני האדם.
איך צפעוני גומה עושים זאת? זוג פיזיקאים מאוניברסיטת ייל גילו את התשובה באמצעות מודל מתמטי חדש, במחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences. "כדי לאתר את הטרף שלהם, צפעוני גומה צריכים לזהות שינויים בטמפרטורה ברמת מילי-קלווין עם איבר החישה שלהם, מה שמחייב את האיבר כולו להיות רגיש פי 1,000 מהחיישנים המולקולריים הבסיסיים שלהם", אמרה הפיזיקאית ד"ר איזבלה גראף מאוניברסיטת ייל.
"הנחשים הללו חיים לפעמים במדבריות שבהן טמפרטורת הסביבה משתנה באופן קיצוני בין יום ללילה", הוסיפה ד"ר גראף. על כן, עולה השאלה כיצד ייתכן ששינויים ברמת מילי-קלווין בטמפרטורה ניתנים לזיהוי חזק על ידי חיישנים בעלי רגישות פחותה בהרבה בסביבות משתנות? ד"ר גראף ועמיתה למחקר מאוניברסיטת ייל, הפיזיקאי ד"ר בנג'מין מאכטה, הסבירו כי מדובר במנגנון ביולוגי המאפשר לצפעוני גומה להגביר אותות קטנים ולהעבירם למוח בדיוק רב.
לצורך המחקר, שני החוקרים יצרו מודל מתמטי המשתמש במושגים מהפיזיקה הסטטיסטית (תחום בפיזיקה, המנתח את התנהגותן של מערכות פיזיקליות בכלים מתמטיים של תורת ההסתברות) ותורת האינפורמציה (ענף של מתמטיקה שימושית בעל יישומים רבים במדע), במטרה להבין כיצד אות הטמפרטורה הנכנס מתעלות היונים של צפעוני גומה משפיע באופן קולקטיבי על התגובה העצבית שלהם.
בתוך המודל המתמטי, יש "הסתעפות" - נקודה שבה התגובה העצבית משתנה וחיישני הטמפרטורה הבודדים, הפחות רגישים, מפגינים מידה גבוהה של שיתוף פעולה. "בסמוך לנקודת ההסתעפות הזו, מוחם של נחשי צפעוני גומה מקבל מידע רב על הטמפרטורה מכל חיישן בודד, יוצר ממוצע של כלל הנתונים שהתקבלו ומצליח להשיג מדידה אחת מדויקת ואופטימלית של הטמפרטורה. בכך, משיגים צפעוני גומה את ארוחת הערב שלהם באישון לילה", אמר ד"ר מאכטה.
המחקר החדש הסביר בנוסף את האופן שבו צפעוני גומה שומרים על הרגישות התרמית שלהם בזמן ששינויים טמפרטורה קיצוניים, שחלים בין שעות היום לשעות הלילה. החוקרים הסבירו שהמודל המתמטי שלהם כולל תכונת "משוב", שמגינה אוטומטית על הרגישות הכוללת של המערכת לאורך תנודות הטמפרטורה.
ד"ר גראף וד"ר מאכטה הוסיפו ואמרו כי ממצאי המחקר שלהם עשויים להיות רלוונטיים לא רק לשיטוטים הליליים של צפעוני הגומה, אלא למערכות חושיות אחרות בעת זיהוי אותות זעירים בסביבה משתנה.
