رازهای شگفت انگیز تنفس در سرعت 320 کیلومتر !

از میان تمام توانایی‌های دنیای پرندگان که انسان‌ها همیشه حسرت و آرزوی آن را داشته‌اند، و در فکر شبیه‌سازی آن بوده‌اند، پرواز کردن جایگاهی ویژه دارد. انسان‌ها در تلاش خود برای درک پرواز، اجزای آیرودینامیک پرندگان را به قسمت‌های مجزا تقسیم کرده‌اند تا بتوانند با بررسی مقادیر و انجام محاسبات، پروازشان را مدل‌سازی کنند.

کد خبر: ۵۸۴۶۶۹

تاریخ: ۲۳ بهمن ۱۴۰۱ - ۰۹:۴۴

این رویکرد برای ما بسیار خوب عمل کرده است. به این فکر کنید که چطور یک جامبو جت بوئینگ ۷۴۷ می‌تواند مسافران را در حدود شش ساعت از شرق به ساحل غربی آمریکا برساند. اجداد ما در گذشته این مسیر را در طول ماه‌ها و با خطرات زیادی از میان جنگل‌ها، دشت‌های بی‌پایان، بیابان‌ها، کوه‌های برفی و باز هم بیابان‌ها و کوه‌های بیشتر پشت سر می‌گذاشتند.

دیدگاه بسیار مهندسی شده‌ ما نسبت به پرواز و موجودات به گونه‌ای است که بتوانیم نکاتی که آنها در دوره‌های تکامل خود برای سازگای با شرایط به دست آورده‌اند را شناسایی کنیم و از آنها استفاده کنیم.

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

شاهین بحری

شاهین بحری یک پرنده شکاری کوچک در آمریکای شمالی است که به دلیل شیرجه زدن با سرعت بی‌نهایت بالا، معروف است. گزارش شده که این پرندگان با سرعت تقریبی ۳۲۰ کیلومتر در ساعت شیرجه می‌زنند. این عدد آنها را به یکی از سریع‌ترین حیوانات روی زمین تبدیل می‌کند. حرکت کردن با چنین سرعتی نیاز به سازگاری و تغییرات زیادی دارد. از جمله این تغییرات می‌توان به هدایت جریان هوا به سوراخ‌های بینی برای تنفس اشاره کرد. بارها گفته شده اگر جریان هوا با سرعت ۳۲۰ کیلومتر وارد بینی شود، باعث انفجار ریه‌ها خواهد شد.

برای جلوگیری از این اتفاق، در منقار این شاهین، برآمدگی‌های گرد استخوانی وجود دارد که جریان هوا را منحرف می‌کند و ورود هوا به سیستم تنفسی را تنظیم می‌کند. در واقع سوراخ‌های بینی شاهین بحری الهام بخش طراحی مخروط‌های ورودی برای موتور جت‌های مافوق صوت بودند.

این واقعیتی جالب است، اما واقعا به چه معناست؟

برای شروع باید بگوییم که حرکت کردن با سرعت بالا باعث انفجار ریه‌ها نمی‌شود. دقیقا برعکس. در این جا باید دو اصل فیزیکی را در نظر داشته باشیم:

اصل برونولی که می‌گوید زمانی که سرعت بالا می‌رود، فشار وارده از طریق هوا به سطح کاهش می‌یابد.

جهت مطلوب برای انرژی همیشه از بالا به پایین است.

از آنجاییکه سرعت شاهین بحری زمانی که فرود می‌آید به حداکثر خود می‌رسد، افزایش سرعت هوایی که وارد منقار او می‌شود، سبب کاهش فشار هوا می‌شود. استنشاق هوا، متکی بر فشار نسبتا بالای هوا در خارج بدن است که با سرعت وارد ناحیه کم فشار ریه‌ها می‌شود.

در نهایت، فشار هوای بیرون از بدن شاهینی که به سمت پایین حرکت می‌کند، با فشار هوای داخل ریه‌ها، تقریبا با یکدیگر به تعادل می‌رسند و تنفس را بسیار دشوار می‌کند. در نظر بگیرید که هنگام وزش باد شدید، چقدر تنفس سخت می‌شود. مثلا وقتی سر خود را از ماشین در حال حرکت بیرون می‌آورید(که البته اصلا این کار توصیه نمی‌شود!)، یا زمانی که سوار یک قایق تندرو هستید نفس کشیدن سخت‌تر می‌شود. وجود برآمدگی‌های استخوانی در بینی شاهین باعث کند شدن جریان هوا، افزایش فشار هوا و نهایتا جذب هوا به داخل بدن آنها می‌شود. بنظر می‌رسد که این پدیده تطابقی، تکاملی هوشمندانه بوده که این پرندگان برای پرواز با سرعت بالا به آن نیاز داشته‌اند.

اما با نگاه به توزیع فیلوژنیک این برآمدگی‌های استخوانی، داستان کمی تغییر می‌کند. شاهین بحری این ویژگی مورفولوژیکی را با سایر اعضاء خانواده شاهین‌ها، که شامل شکارچیانی با اشکال، اندازه‌ها و توانایی‌های پروازی بسیار متنوعی می‌شوند، به اشتراک می‌گذارد. در یک سر این خانواده شاهین بحری قرار دارد که پرنده طعمه خود را در هوا شکار می‌کند. و در سر دیگر آن کاراکارا(نوعی شاهین) قرار دارد که با سرعتی کم در آسمان پرواز می‌کند و درست شبیه‌ به کرکس‌ها به دنبال لاشه‌ها می‌گردد. در اینجا این سوال بوجود می‌آید که چرا برآمدگی‌های داخل بینی که برای شاهین‌های بحری کاربردی حیاتی دارد، در سوراخ‌های بینی همه اعضاء این خانواده وجود دارد؟

این احتمال وجود دارد که این برآمدگی‌ها در مسیر تنفسی همه شاهین‌ها وجود داشته و خصوصیتی مشترک است که آنها از اجداد خود به ارث برده‌اند. شاید این برآمدگی‌ها برای عملکردی متفاوت نظیر سنجش سرعت هوا یا دما در این موجودات تکامل یافته‌اند و این ساختار با هدف جدیدی در شاهین‌های بحری اصلاح شده‌اند. در نتیجه ما هنوز به طور قطعی و کامل نمی‌دانیم که کاربرد این برآمدگی‌ها برای این پرندگان چیست.

ممکن است ما از هدف سوراخ های غیرمعمول بینی شاهین بحری اطمینان نداشته‌باشیم، اما مهندسین با الهام از آن توانسته‌اند مشکل تنظیم هوای ورودی در موتورهای جت را حل کنند. در سال‌های بعد از جنگ جهانی دوم، هواپیماهای نظامی، با درک بهتر از نحوه بکارگیری موشک‌ها، رکوردهای سرعتی بیشتری را شکستند. اما این هواپیماها فقط تا زمانی می‌توانستند حرکت کنند، که موتورهایشان خفه نکرده و متوقف نشده بودند.

خیلی زود مشخص شد که جریان هوا به جای عبور از سیلندر جت، منحرف می‌شود و اکسیژن لازم برای احتراق را با خود می‌برد. 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 ضربه‌ای شد و جریان هوا را کند کرد و به موتورها اجازه داد تا به کار خود ادامه دهند. نوآوری در بکارگیری مخروط‌های ورودی، پروازهای مافوق صوت را ممکن کردند. چاک یگر، در سال ۱۹۴۷ موفق شد یک هواپیمای آزمایشی Bell X-1 را سریعتر از سرعت صوت، یعنی با سرعتی در حدود ۱۲۳۵ کیلومتر در ساعت در سطح دریا، حرکت دهد.

سفید غازها

یکی دیگر از پرندگانی که بسیار سریع پرواز می‌کنند و با نیروهای شدید فیزیکی مقابله می‌کنند، گانت‌ها یا سفیدغازها هستند. طبق مشاهدات دقیق، این پرندگان دریایی از ارتفاع حدود ۳۰ متری غواصی می‌کنند. آنها بال‌های خود را به عقب می‌کشند و بدن خود را به شکل محکم و روان درآورده و با سرعت زیاد، سطح آب و جایی که می‌خواهند ماهی شکار کنند را می‌شکافند. سرعت گانت‌ها در لحظه برخورد به آب می‌تواند به ۸۶.۴ کیلومتر در ساعت(یا ۲۴ متر برثانیه) برسد. (این داده‌های ترسناک، از اطلاعات جمع‌آوری شده از خودکشی ۱۶۹ نفر از کسانی است که از روی پل گلدن گیت در سانفرانسیکو به پایین پریده‌اند. سرعت اصابت تقریبا در لحظه برخورد ۳۳ متر بر ثانیه محاسبه شده است. تقریبا ۱۰۰٪ افرادی که پریده‌اند، مرده‌اند و مرگ اکثر آنها ناشی از ضربه بوده است.)

بسیاری از شناگران انسان برای اینکه هنگام شیرجه زدن آب وارد بینی‌شان نشود، از تجهیزات مناسب استفاده می‌کنند. اما چطور گانت‌ها بدون اینکه آب وارد بینی‌شان شود، با سرعت زیاد وارد آب می‌شوند.

جواب این است که گانت‌ها با از دست دادن کامل منقارهای خارجی، این مشکل را حل کرده‌اند.

وقتی گانت‌ها جنین هستند و در تخم قرار دارند، سوراخ‌های بینی‌شان همانند پرندگان گونه‌های دیگر رشد می‌کند، ابتدا دهانه سوراخ بینی و سپس حفره دهلیزی که بعد از سوراخ قرار دارد و توسط یک تکه از بافت مخاطی، مهر و موم شده است. کمی بعدتر، و با رشد پرنده، این قطعه بافتی شکل از بین می‌رود تا راه منقار باز شود، ولی این برآمدگی‌ها باقی می‌مانند. در نهایت سوراخ‌های بیرونی منقار گانت‌ها با رشد استخوان‌ها، توسط رامفوتکا(که از کراتین ساخته شده) پوشانده می‌شود. نکته جالب اینجاست که با وجود بسته بودن کامل سوراخ‌های بینی و جریان نداشتن هوا از طریق آنها، گانت‌ها از ساختار بویایی خوبی برخوردار هستند.

گانت‌ها چطور با نداشتن سوراخ بینی کنار می‌آیند؟‌ مکدونالد در سال ۱۹۶۰ منقارهای خارجی ثانویه را اینگونه توصیف کرد که آنها توسط حفره‌ای در گوشه دهان و جایی که منقار بالایی به سمت پایین آویزان است شکل گرفته‌اند. این ناحیه برآمده از استخوانی به نام Jugal که معادل استخوان گونه ماست، ساخته شده و توسط 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 می‌روند، و این منقارهای خارجی ثانویه را می‌بندند.

به‌نظر می‌رسد از بین رفتن تمام سوراخ‌های بینی در گانت‌ها راهی عالی برای جلوگیری از ورود آب به بینی و سیستم تنفسی آنها در حین غواصی باشد. با این‌حال، مک دونالد متوجه الگوی جالبی در سایر پرندگانی که غواصی می‌کنند و از این خانواده نیستند شد. باکلان‌ها(از خانواده Phalacrocoracidae) نیز در آب شیرجه می‌زنند، اما نه از آسمان، بلکه از سطح آب.

باکلان‌ها و پلیکان‌های قهوه‌ای

با اینکه آنها بسیار آرام‌تر به داخل آب شیرجه می‌زنند، اما سوراخ‌های بینی‌شان کوچک است و تقریبا بسته شده است. اما در عوض پلیکان‌های قهوه‌ای(از خانواده Pelecanus occidentalis) پرندگانی غواص با جثه سنگین و سوراخ‌های بینی باز هستند. سوراخ‌های بینی آنها بوسیله یک پرده پوستی نازک احاطه شده که احتمالا زمانی که در برابر فشار آب خارجی پرفشار قرار می‌گیرد، بسته می‌شود.

اینکه بگوییم انسداد کامل بینی در گانت‌ها به طور مستقیم با غواصی کردن آنها در ارتباط است، باعث می‌شود تا برخی از پیچیدگی‌های آنها را نادیده بگیریم. می‌توانیم بگوییم که از دست دادن تقریبا تمام سوراخ‌های بینی در باکلان‌ها، چیزی است که آنها طی مراحل تکامل، از اجداد خود به دست آورده‌اند. همچنین مکانیسم بسته شدن منقار در پلیکان قهوه‌ای نیز یک مزیت است که این پرندگان برای وارد نشدن آب به بینی خود هنگام غواصی از آن برخوردار هستند.

علاوه بر این، بکارگیری راه‌حلی متفاوت برای همین مشکل نشان می‌دهد که با از دست دادن سوراخ‌های بینی، اتفاقات منفی نیز برای آنها می‌افتد. مثلا، پرندگان دریایی نیاز به ترشح غدد نمکی دارند تا نمک اضافی که مصرف می‌کنند را از بین ببرد. راه خروجی ترشحات این غدد معمولا از طریق بینی است. گانت‌ها غدد نسبتا کوچکی برای ترشح نمک دارند و بنابراین باید نمک‌ غلیظ را از طریق دهان خود خارج کرده و دور بریزند.

تشریح عملکرد ساختارهای آناتومی همیشه بسیار ظریف‌تر از این است که بگوییم:«ساختار x به طور کامل برای خدمت به هدف Y تطبیق پیدا کرده است.» دنیای بیولوژیکی فاصله زیادی با دنیای طراحی مهندسی دارد. در تفسیرهای خود باید محدودیت‌هایی که توسط 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.