شگفت انگیز اما واقعی: نفس کشیدن در سرعت مرگبار 320 کیلومتر در ساعت! - وبلاگ فرافایلی

به گزارش وبلاگ فرافایلی، از میان تمام توانایی های دنیای پرندگان که انسان ها همیشه حسرت و آرزوی آن را داشته اند، و در فکر شبیه سازی آن بوده اند، پرواز کردن جایگاهی ویژه دارد. انسان ها در تلاش خود برای درک پرواز، اجزای آیرودینامیک پرندگان را به قسمت های مجزا تقسیم کرده اند تا بتوانند با بررسی مقادیر و انجام محاسبات، پروازشان را مدل سازی کنند.

پریسا عباسی - این رویکرد برای ما بسیار خوب عمل کرده 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 پایان، 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 دلیل 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 کند. حرکت کردن با چنین سرعتی نیاز به سازگاری و تغییرات زیادی دارد. از جمله این تغییرات می توان به هدایت جریان هوا به سوراخ های بینی برای تنفس اشاره کرد. بارها گفته شده اگر جریان هوا با سرعت 320 کیلومتر وارد بینی گردد، 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 کند و ورود هوا به سیستم تنفسی را تنظیم می کند. 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 شروع باید بگوییم که حرکت کردن با سرعت بالا باعث انفجار ریه ها نمی گردد. 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 از طریق هوا به سطح کاهش می یابد.
• جهت مطلوب برای انرژی همیشه 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 گردد، سبب کاهش فشار هوا می گردد. استنشاق هوا، متکی بر فشار نسبتا بالای هوا در خارج بدن است که با سرعت وارد ناحیه کم فشار ریه ها می گردد.

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

اما با نگاه به توزیع فیلوژنیک این برآمدگی های استخوانی، داستان کمی تغییر می کند. شاهین بحری این ویژگی مورفولوژیکی را با سایر اعضاء خانواده شاهین ها، که شامل شکارچیانی با اشکال، اندازه 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 کند. و در سر دیگر آن کاراکارا(نوعی شاهین) واقع شده است که با سرعتی کم در آسمان پرواز می کند و درست شبیه به کرکس ها در پی لاشه ها می گردد. 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 کنند. 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 کنند، که موتورهایشان خفه نکرده و متوقف نشده بودند.

خیلی زود تعیین شد که جریان هوا به جای عبور از سیلندر جت، منحرف می گردد 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 کنند و با نیروهای شدید فیزیکی مقابله می کنند، گانت ها یا سفیدغازها هستند. طبق مشاهدات دقیق، این پرندگان دریایی از ارتفاع حدود 30 متری غواصی می کنند. 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 کنند 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 نگردد، از تجهیزات مناسب استفاده می کنند. اما چطور گانت ها بدون اینکه آب وارد بینی شان گردد، با سرعت زیاد وارد آب می شوند.

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

وقتی گانت ها جنین هستند و در تخم قرار دارند، سوراخ های بینی شان همانند پرندگان گونه های دیگر رشد می کند، ابتدا دهانه سوراخ بینی و سپس حفره دهلیزی که بعد از سوراخ واقع شده است و از طریق 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 گردد، ولی این برآمدگی ها باقی می مانند. در نهایت سوراخ های بیرونی منقار گانت ها با رشد استخوان ها، از طریق رامفوتکا(که از کراتین ساخته شده) پوشانده می گردد. نکته جالب اینجاست که با وجود بسته بودن کامل سوراخ های بینی و جریان نداشتن هوا از طریق 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 از طریق 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 از طریق 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 کنند 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 گردد.

اینکه بگوییم انسداد کامل بینی در گانت ها به طور مستقیم با غواصی کردن آنها در ارتباط است، باعث می گردد تا برخی 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. همچنین 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 نیاز به ترشح غدد نمکی دارند تا نمک اضافی که مصرف می کنند را از بین ببرد. راه خروجی ترشحات این غدد معمولا از طریق بینی است. گانت ها 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 ظریف تر 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 محدودیت هایی که از طریق 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