رازهای شگفت انگیز تنفس در سرعت 320 کیلومتر ! - گالری ابزار زیبا

به گزارش گالری ابزار زیبا، از میان تمام توانایی های دنیای پرندگان که انسان ها همواره حسرت و آرزوی آن را داشته اند، و در فکر شبیه سازی آن بوده اند، پرواز کردن جایگاهی ویژه دارد. انسان ها در کوشش خود برای درک پرواز، اجزای آیرودینامیک پرندگان را به قسمت های مجزا تقسیم نموده اند تا بتوانند با آنالیز مقادیر و انجام محاسبات، پروازشان را مدل سازی نمایند.

پریسا عباسی - این رویکرد برای ما بسیار خوب عمل نموده است. به این فکر کنید که چطور یک جامبو جت بوئینگ 747 می تواند مسافران را در حدود شش ساعت از شرق به ساحل غربی آمریکا برساند. اجداد ما در گذشته این مسیر را در طول ماه ها و با خطرات زیادی از میان جنگل ها، دشت های بی خاتمه، بیابان ها، کوه های برفی و باز هم بیابان ها و کوه های بیشتر پشت سر می گذاشتند.

دیدگاه بسیار مهندسی شده ما نسبت به پرواز و موجودات به گونه ای است که بتوانیم نکاتی که آنها در دوره های تکامل خود برای سازگای با شرایط به دست آورده اند را شناسایی کنیم و از آنها استفاده کنیم.

بعنوان مثال بیایید با هم نگاهی به سوراخ های بینی دو پرنده بسیار متفاوت بیندازیم، شاهین(شاهین بحری، Falco peregrinus) و گانت ها یا سفید غازها(از خانواده بوبیان، Sulidae).

شاهین بحری

شاهین بحری یک پرنده شکاری کوچک در آمریکای شمالی است که به علت شیرجه زدن با سرعت بی نهایت بالا، معروف است. گزارش شده که این پرندگان با سرعت تقریبی 320 کیلومتر در ساعت شیرجه می زنند. این عدد آنها را به یکی از سریع ترین حیوانات روی زمین تبدیل می نماید. حرکت کردن با چنین سرعتی احتیاج به سازگاری و تغییرات زیادی دارد. از جمله این تغییرات می توان به راهنمایی جریان هوا به سوراخ های بینی برای تنفس اشاره نمود. بارها گفته شده اگر جریان هوا با سرعت 320 کیلومتر وارد بینی شود، باعث انفجار ریه ها خواهد شد.

برای جلوگیری از این اتفاق، در منقار این شاهین، برآمدگی های گرد استخوانی وجود دارد که جریان هوا را منحرف می نماید و ورود هوا به سیستم تنفسی را تنظیم می نماید. در واقع سوراخ های بینی شاهین بحری الهام بخش طراحی مخروط های ورودی برای موتور جت های مافوق صوت بودند.

این واقعیتی جالب است، اما واقعا به چه معناست؟

برای آغاز باید بگوییم که حرکت کردن با سرعت بالا باعث انفجار ریه ها نمی شود. دقیقا برعکس. در این جا باید دو اصل فیزیکی را در نظر داشته باشیم:

• اصل برونولی که می گوید زمانی که سرعت بالا می رود، فشار وارده به وسیله هوا به سطح کاهش می یابد.
• جهت مطلوب برای انرژی همواره از بالا به پایین است.

از آنجاییکه سرعت شاهین بحری زمانی که فرود می آید به حدبیشتر خود می رسد، افزایش سرعت هوایی که وارد منقار او می شود، سبب کاهش فشار هوا می شود. استنشاق هوا، متکی بر فشار نسبتا بالای هوا در خارج بدن است که با سرعت وارد ناحیه کم فشار ریه ها می شود.

در نهایت، فشار هوای بیرون از بدن شاهینی که به سمت پایین حرکت می نماید، با فشار هوای داخل ریه ها، تقریبا با یکدیگر به تعادل می رسند و تنفس را بسیار سخت می نماید. در نظر بگیرید که هنگام وزش باد شدید، چقدر تنفس سخت می شود. مثلا وقتی سر خود را از ماشین در حال حرکت بیرون می آورید(که البته اصلا این کار توصیه نمی شود!)، یا زمانی که سوار یک قایق تندرو هستید نفس کشیدن سخت تر می شود. وجود برآمدگی های استخوانی در بینی شاهین باعث کند شدن جریان هوا، افزایش فشار هوا و نهایتا جذب هوا به داخل بدن آنها می شود. بنظر می رسد که این پدیده تطابقی، تکاملی هوشمندانه بوده که این پرندگان برای پرواز با سرعت بالا به آن احتیاج داشته اند.

اما با نگاه به توزیع فیلوژنیک این برآمدگی های استخوانی، داستان کمی تغییر می نماید. شاهین بحری این ویژگی مورفولوژیکی را با سایر اعضاء خانواده شاهین ها، که شامل شکارچیانی با اشکال، مقدار ها و توانایی های پروازی بسیار متنوعی می شوند، به اشتراک می گذارد. در یک سر این خانواده شاهین بحری واقع شده است که پرنده طعمه خود را در هوا شکار می نماید. و در سر دیگر آن کاراکارا(نوعی شاهین) واقع شده است که با سرعتی کم در آسمان پرواز می نماید و درست شبیه به کرکس ها در پی لاشه ها می شود. در اینجا این سوال بوجود می آید که چرا برآمدگی های داخل بینی که برای شاهین های بحری کاربردی حیاتی دارد، در سوراخ های بینی همه اعضاء این خانواده وجود دارد؟

این احتمال وجود دارد که این برآمدگی ها در مسیر تنفسی همه شاهین ها وجود داشته و خصوصیتی مشترک است که آنها از اجداد خود به ارث برده اند. شاید این برآمدگی ها برای عملکردی متفاوت نظیر سنجش سرعت هوا یا دما در این موجودات تکامل یافته اند و این ساختار با هدف جدیدی در شاهین های بحری اصلاح شده اند. در نتیجه ما هنوز به طور قطعی و کامل نمی دانیم که کاربرد این برآمدگی ها برای این پرندگان چیست.

ممکن است ما از هدف سوراخ های غیرمعمول بینی شاهین بحری اطمینان نداشته باشیم ، اما مهندسین با الهام از آن توانسته اند مشکل تنظیم هوای ورودی در موتورهای جت را حل نمایند. در سال های بعد از جنگ جهانی دوم، هواپیماهای نظامی، با درک بهتر از نحوه بکارگیری موشک ها، رکوردهای سرعتی بیشتری را شکستند. اما این هواپیماها فقط تا زمانی می توانستند حرکت نمایند، که موتورهایشان خفه ننموده و متوقف نشده بودند.

خیلی زود تعیین شد که جریان هوا به جای عبور از سیلندر جت، منحرف می شود و اکسیژن لازم برای احتراق را با خود می برد. این همان مشکل ناشی از اصل برنولی و جریان فشار بالا به پایین بود که قبلا درباره آن صحبت کردیم. اضافه کردن ساختارهای مخروطی شکل در قسمت ورودی موتور، باعث ایجاد امواج ضربه ای شد و جریان هوا را کند کرد و به موتورها اجازه داد تا به کار خود ادامه دهند. نوآوری در بکارگیری مخروط های ورودی، پروازهای مافوق صوت را ممکن کردند. چاک یگر، در سال 1947 پیروز شد یک هواپیمای آزمایشی Bell X-1 را سریعتر از سرعت صوت، یعنی با سرعتی در حدود 1235 کیلومتر در ساعت در سطح دریا، حرکت دهد.

سفید غازها

یکی دیگر از پرندگانی که بسیار سریع پرواز می نمایند و با نیروهای شدید فیزیکی مقابله می نمایند، گانت ها یا سفیدغازها هستند. طبق مشاهدات دقیق، این پرندگان دریایی از ارتفاع حدود 30 متری غواصی می نمایند. آنها بال های خود را به عقب می کشند و بدن خود را به شکل محکم و روان درآورده و با سرعت زیاد، سطح آب و جایی که می خواهند ماهی شکار نمایند را می شکافند. سرعت گانت ها در لحظه برخورد به آب می تواند به 86.4 کیلومتر در ساعت(یا 24 متر برثانیه) برسد. (این داده های ترسناک، از اطلاعات جمع آوری شده از خودکشی 169 نفر از کسانی است که از روی پل گلدن گیت در سانفرانسیکو به پایین پریده اند. سرعت اصابت تقریبا در لحظه برخورد 33 متر بر ثانیه محاسبه شده است. تقریبا 100٪ افرادی که پریده اند، مرده اند و مرگ بیشتر آنها ناشی از ضربه بوده است.)

بسیاری از شناگران انسان برای اینکه هنگام شیرجه زدن آب وارد بینی شان نشود، از تجهیزات مناسب استفاده می نمایند. اما چطور گانت ها بدون اینکه آب وارد بینی شان شود، با سرعت زیاد وارد آب می شوند.

جواب این است که گانت ها با از دست دادن کامل منقارهای خارجی، این مشکل را حل نموده اند.

وقتی گانت ها جنین هستند و در تخم قرار دارند، سوراخ های بینی شان همچون پرندگان گونه های دیگر رشد می نماید، ابتدا دهانه سوراخ بینی و سپس حفره دهلیزی که بعد از سوراخ واقع شده است و به وسیله یک تکه از بافت مخاطی، مهر و موم شده است. کمی بعدتر، و با رشد پرنده، این قطعه بافتی شکل از بین می رود تا راه منقار باز شود، ولی این برآمدگی ها باقی می مانند. در نهایت سوراخ های بیرونی منقار گانت ها با رشد استخوان ها، به وسیله رامفوتکا(که از کراتین ساخته شده) پوشانده می شود. نکته جالب اینجاست که با وجود بسته بودن کامل سوراخ های بینی و جریان نداشتن هوا به وسیله آنها، گانت ها از ساختار بویایی خوبی برخوردار هستند.

گانت ها چطور با نداشتن سوراخ بینی کنار می آیند؟ مکدونالد در سال 1960 منقارهای خارجی ثانویه را اینگونه توصیف کرد که آنها به وسیله حفره ای در گوشه دهان و جایی که منقار بالایی به سمت پایین آویزان است شکل گرفته اند. این ناحیه برآمده از استخوانی به نام Jugal که معادل استخوان گونه ماست، ساخته شده و به وسیله یک صفحه لولایی از کراتینه پوشانده شده است. این دو عنصر به سستی به بقیه جمجمه متصل هستند و به احتمال زیاد، هنگام غواصی بر اثر فشار خارجی آب به دو طرف منقار فرو می روند، و این منقارهای خارجی ثانویه را می بندند.

به نظر می رسد از بین رفتن تمام سوراخ های بینی در گانت ها راهی عالی برای جلوگیری از ورود آب به بینی و سیستم تنفسی آنها در حین غواصی باشد. با این حال، مک دونالد متوجه الگوی جالبی در سایر پرندگانی که غواصی می نمایند و از این خانواده نیستند شد. باکلان ها(از خانواده Phalacrocoracidae ) نیز در آب شیرجه می زنند، اما نه از آسمان، بلکه از سطح آب.

باکلان ها و پلیکان های قهوه ای

با اینکه آنها بسیار آرام تر به داخل آب شیرجه می زنند، اما سوراخ های بینی شان کوچک است و تقریبا بسته شده است. اما در عوض پلیکان های قهوه ای(از خانواده Pelecanus occidentalis) پرندگانی غواص با جثه سنگین و سوراخ های بینی باز هستند. سوراخ های بینی آنها بوسیله یک پرده پوستی نازک احاطه شده که احتمالا زمانی که در برابر فشار آب خارجی پرفشار قرار می گیرد، بسته می شود.

اینکه بگوییم انسداد کامل بینی در گانت ها به طور مستقیم با غواصی کردن آنها در ارتباط است، باعث می شود تا بعضی از پیچیدگی های آنها را نادیده بگیریم. می توانیم بگوییم که از دست دادن تقریبا تمام سوراخ های بینی در باکلان ها، چیزی است که آنها طی مراحل تکامل، از اجداد خود به دست آورده اند. بعلاوه مکانیسم بسته شدن منقار در پلیکان قهوه ای نیز یک مزیت است که این پرندگان برای وارد نشدن آب به بینی خود هنگام غواصی از آن برخوردار هستند.

علاوه بر این، بکارگیری راه حلی متفاوت برای همین مشکل نشان می دهد که با از دست دادن سوراخ های بینی، اتفاقات منفی نیز برای آنها می افتد. مثلا، پرندگان دریایی احتیاج به ترشح غدد نمکی دارند تا نمک اضافی که مصرف می نمایند را از بین ببرد. راه خروجی ترشحات این غدد معمولا به وسیله بینی است. گانت ها غدد نسبتا کوچکی برای ترشح نمک دارند و بنابراین باید نمک غلیظ را به وسیله دهان خود خارج نموده و دور بریزند.

تشریح عملکرد ساختارهای آناتومی همواره بسیار ظریف تر از این است که بگوییم:ساختار x به طور کامل برای خدمت به هدف Y تطبیق پیدا نموده است. دنیای بیولوژیکی فاصله زیادی با دنیای طراحی مهندسی دارد. در تفسیرهای خود باید محدودیت هایی که به وسیله تاریخ تکامل به موجودات تحمیل شده را در نظر بگیریم و بدانیم که با بدست آوردن چیزی، ممکن است چیز دیگری را از دست بدهیم.

منبع: wordpress

5858