پرندگان چگونه اکسیژن لازم برای پرواز را تامین میکنند؟ مقایسه دستگاه گردش خون در پرندگان و پستانداران
پرواز یکی از شگفت انگیزترین توانایی ها در میان موجودات است. اما چه عواملی پرندگان را به این فعالیت فوق العاده پر سوخت و ساز قادر میکند؟ پرندگان چگونه اکسیژن مورد نیاز پرواز را تامین میکنند؟ در مطلب قبلی نقش سیستم تنفسی پرندگان در پرواز و تامین اکسیژن را بررسی کردیم. در تکمیل آن، اینبار میخواهیم با کارآمد ترین دستگاه گردش خون در بین حیوانات که متعلق به پرندگان است آشنا شویم.
نگارنده مقاله: سینا پوراسحاق
«تمام مطالب منتشر شده در وبلاگ آوای بوم نشان دهنده نظرات نویسنده مطلب بوده و لزوما دیدگاههای انجمن را منعکس نمیکند.»
پرواز آرزو و رویای بسیاری از ما انسان هاست. بیایید تصور کنیم یک روز صبح از خواب بیدار میشویم و میبینیم که به جای دستان خود دو عدد بال قوی با آیرودینامیک مناسب پرواز پیدا کرده ایم. اما هیجان ما دیری نخواهد پایید از آنجا که قادر به پرواز نخواهیم بود!! دلیل آن این است که در بدن ما سایر ویژگی هایی چون سیستم تنفسی و قلبی عروقی لازم برای تامین انرژی و اکسیژن پرواز تکامل نیافته است. در مقاله مربوط به سیستم تنفسی پرندگان خواندیم که آنها با داشتن یک ریه و تا ٩ عدد کیسه هوایی متصل به آن و با گیرنده های زیاد جذب اکسیژن، چه حجم فراوانی از اکسیژن را میتوانند جذب کنند. اکنون میخواهیم با بررسی دستگاه گردش خون در پرندگان دریابیم که چگونه این حجم زیاد از اکسیژن میتواند به سلول ها برای سوخت و ساز انتقال یابد. این نوشته میخواهد برخی از مهمترین یافته های جدید علمی دنیا در این زمینه را، با زبانی ساده بیان کند.
شباهت های دستگاه گردش خون در پرندگان و پستانداران
در میان حیوانات، پستانداران و پرندگان از تکامل یافته ترین سیستم قلبی عروقی بهره میبرند و از جهات بسیاری به هم شباهت دارند. در هر دو رده، ساختار قلبی به صورت چهار حفره ای است. بعلاوه، در هر دو، خون اکسیژنه و خون اکسیژن از دست داده کاملا مجزا و تفکیک شده است و با هم ترکیب نمیشوند. خون اکسیژنه در سرخرگ ها به سمت بافت ها و خون اکسیژن از دست داده در سیاهرگ ها به سمت قلب در جریان است. همانند ما انسان ها، جریان خون در ریه ها اکسیژنه میشود و از حفره بالایی سمت چپ (دهلیز چپ) وارد قلب میشود. دهلیز چپ آنرا به حفره پایینی سمت چپ (بطن چپ) پمپ کرده و از آنجا خون حاوی اکسیژن از طریق رگ هایی مجزا (سرخرگها) به سوی بافت ها و سلول ها حرکت میکند. خونی که اکنون اکسیژن خود را از دست داده اینبار از طریق رگ هایی به نام سیاهرگ به سمت قلب بازمیگردد و از حفره بالایی سمت راست (دهلیز راست) وارد آن میشود. خون سپس از دهلیز راست وارد حفره پایینی سمت راست (بطن راست) میشود و از آنجا برای دوباره اکسیژنه شدن به سمت ریه پمپاژ میشود. این چرخه با ورود دوباره خون به دهلیز چپ مجدد از سر گرفته میشود. تمام این چرخه تنها یک ضربان قلب را تشکیل میدهد!
خب تا اینجا به شباهتها نگاهی انداختیم. با ادامه مطلب همراه شوید تا به تفاوت ها بپردازیم. تا ببینیم که از حدود ٣٠٠ میلیون سال پیش که مسیر تکاملی ما پستانداران از پرندگان جدا شد، چه تغییرات تکاملی مؤثرتری در فرگشت دستگاه گردش خون پرندگان ایجاد شد و پرواز را ممکن ساخت.
تفاوت دستگاه گردش خون در پرندگان و پستانداران
پیش از شروع باید اشاره کنیم که پرندگان در این مقایسه به صورت کلی در نظر گرفته شده اند و مسلما بین گونه ها و راسته های مختلف پرندگان نیز تفاوت های بسیاری وجود دارد. برای مثال دستگاه گردش خون در پرندگان مهاجر تکامل یافته تر از پرندگانی است که مهاجرت نمیکنند. به همین نسبت نوع پرواز و شکل بال زدن، جثه، زیستگاه، ارتفاع پرواز از سطح دریا و غیره باعث اشکال تکاملی متفاوتی در میان پرندگان شده است. در اینجا مقایسه کلی در دو سطح قلب و سیستم عروقی (خون و رگها) صورت گرفته است.
قلب در پرندگان
به صورت کلی طبق قائده عمومی طبیعت، رابطه معکوس بین جثه حیوانات و ضربان قلب وجود دارد. یعنی حیوانات کوچکتر دارای ضربان قلب بالاتری هستند. بگذارید برای مثال به ضربان قلب چندین گونه پستاندار و پرنده با جثه های متفاوت نگاهی بیاندازیم. متوسط ضربان قلب در حالت استراحت (بر اساس ضربان در دقیقه یا bmp) در گوزن (۵٠-۴٠)، انسان (٨٠-۶٠)، سگ با جثه بزرگ (١٢٠-٨٠)، عقاب (١٢٠-١٠٠)، گربه (١٨٠-١٢٠)، کلاغ (٣۴۵)، گنجشک خانگی (۴۶٠)، موش خانگی (۵٠٠)، مرغ مگسِ گردن یاقوتی (۶١۵) میباشد.
پس پستانداران نیز همانند پرندگان هر چه کوچکتر باشند ضربان قلب بالاتری دارند. پس تفاوت در کجاست؟ تفاوت در اینجاست که قلب در پرندگان، عموما نسبت به پستانداران بزرگتر (نسبت به وزن بدن) و همچنین دارای بافت ماهیچه ای قوی تری است (خصوصا بطن چپ که مسئول پمپاژ خون به اندام هاست). این امر و همینطور جریان الکتریکی بهینه تری که باعث پر و خالی شدن کامل تر قلب از خون میشود به نوبه خود باعث بالا رفتن بازدهی قلبی cardiac output در پرندگان میشود. بازدهی قلبی بالاتر بدین معنی است که یک پرنده در مقایسه با پستاندار هم جثه خود با ضربان قلب مشابه، مقدار خون بیشتری (اکسیژن بیشتر) در واحد زمان به سوی اندام ها پمپاژ میکند
ضربان قلب در پرندگان کوچک در اوج پرواز میتواند به راحتی تا بیش از ١٠٠٠ ضربان در دقیقه افزایش یابد. یعنی نزدیک به حدود ٢٠ ضربان در هر ثانیه !!
جالب است بدانید اندازه و وزن قلب در برخی پرندگان در فصل سرما کوچکتر و با شروع فصل گرما و مهاجرت بزرگ تر میشود!
سیستم عروقی (خون و رگها) در پرندگان
بال زدن های سنگین و طولانی انرژی زیادی میطلبد و بدن پرندگان باید این انرژی را تولید کند. این انرژی در سلول ها و طی فرایندهایی به نام متابولیسم یا سوخت و ساز تولید میشود. سلول ها برای انجام متابولیسم به مواد اولیه نیاز دارند و در نتیجه ی متابولیسم، مواد زائد نیز به جای میگذارند. این وظیفه سیستم عروقی است تا از طریق خون در رگ ها مواد اولیه از جمله اکسیژن را به سلول ها رسانده و مواد زائد را از جمله دی اکسید کربن، از سلول ها دریافت و از طریق ریه، کلیه و برخی دیگر اندام ها دفع کند. حال به سه مکانیسم تکامل یافته در سیستم عروقی پرندگان اشاره میکنیم که تامین این حجم زیاد از اکسیژن برای پرواز را ممکن میسازد.
گلبول های قرمز و هموگلوبین
آن بخش از خون که مسئولیت انتقال اکسیژن را دارد سلول هایی هستند به نام گلبول قرمز (RBC) و روی هر گلبول نیز میلیون ها عدد از پروتئین هایی سوار هستند که هموگلوبین نام دارند. هموگلوبین ها دلیل رنگ قرمز خون و مسئول حمل ملکول های اکسیژن از طریق برقراری پیوند مولکولی با آنها هستند. اندازه گلبول ها هم در پرندگان و هم پستانداران از سایر جانوران کوچکتر و در نتیجه، تعداد آنها بیشتر و توانایی انتقال اکسیژن آنها بیشتر است. برخلاف تصور عمومی، تعداد گلبول ها در پرندگان بیشتر نیست و مانند پستانداران بسته به شدت فعالیت، ارتفاع زیستگاه یا سبک زندگی از یک گونه تا گونه دیگر بسیار متغییر است. دامنه تعداد گلبول ها در میلی متر مکعب mm3 از خون پرندگان بین ١.۵ تا ۵.۵ میلیون عدد و در پستانداران بین ٢ تا ١٨ میلیون متغییر است. اما هموگلوبین در پرندگان تمایل به برقراری پیوند اکسیژنی بالاتری دارد. پژوهش های جدید نشان میدهند که لگاند اکسیژنی oxygen affinity یا همان تمایل به برقراری پیوند با مولکول اکسیژن، در پرندگان برخلاف یافته ای قدیمی از پستانداران بالاتر است.
پرواز در ارتفاع
در طبیعت هنگامی که جانوران با کمبود اکسیژن در خون (hypoxia) مواجه میشوند، بدن آنها تعداد گلبول های قرمز در خون را افزایش میدهد تا کمبود را جبران کند. پرندگان نیز شامل این قائده میشوند. کمبود اکسیژن ممکن است بر اثر صعود به ارتفاع های بالا که تراکم اکسیژن در آنجا کم است رخ دهد. در انسان ها کمبود اکسیژن ممکن است همچنین بر اثر بیماری یا یک نقص فیزیکی یا عوامل دیگر ایجاد شود. اما روش افزایش گلبول های خون ممکن است در صورت تشدید با خطراتی همراه باشد. از آنجا که افزایش گلبول های قرمز در خون، باعث افزایش غلظت خون میشود، خطر انسداد عروق و یا سکته را بهمراه دارد. حتما شنیده اید که کوهنوردان به اهدای خون توصیه میشوند. دلیلش هم آن است که با صعود مکرر به ارتفاعات بالا بدن شان گلبول بیشتری ساخته و غلظت خونشان بیشتر میشود. اغلب پرندگان مهاجری که در ارتفاعات پایین از سطح دریا پرواز میکنند، از همین مکانیسم افزایش تعداد گلبول قرمز استفاده میکنند. اما در پرندگانی چون غاز سر نواری bar headed goose که در ارتفاعات بسیار بالا چون فراز هیمالیا پرواز میکنند یک ویژگی شگفت انگیز در فرگشت آنها رخ داده است. بدن آنها به جای افزایش گلبول ها، تعداد هموگلوبین های درون گلبول ها را افزایش میدهد!! این ویژگی منحصر به فرد در پرندگان تحقیقات علمی زیادی را به خود معطوف کرده است به آن امید که بشر بتواند راه حلی برای بیماری های تنفسی و توانایی حضور در ارتفاعات بالا پیدا کند.
سطح تماس گازی بین رگها و ریه
سطحی که در آن ریه اکسیژنی که جذب کرده را به خون انتقال میدهد در پرندگان فرگشت بهینه تری پیدا کرده است. در این سطح ضخامت رگ ها، مکانیسم عملکرد برونشیت ها و جریان متقابل خون در رگها و اکسیژن در ریه ها به گونه ایست که بیشترین میزان اکسیژن بین این دو سطح تبادل میگردد.
مویرگها
مویرگ ها در واقع کوچکترین شکل سرخرگ ها هستند. وقتی سرخرگ ها به بافت میرسند، در آنجا مانند ریشه گیاه به انشعابات بسیار ریز و ریز تری تقسیم میشوند تا خود را به تمام قسمت های بافت برسانند و ضخامتشان آنقدر باریک میشود که میتوانند از دیواره خود مواد مغذی و اکسیژن را به سلول ها انتقال دهند. میزان تراکم این انشعابات مویرگی در ماهیچه های پرندگان بسیار بالاتر از پستانداران است و این ویژگی سیستم عروقی آنها را قادر میکند تا حداکثر میزان اکسیژن را به سلول ها انتقال دهند.
مطالعه پرندگان و اهمیت پرنده نگری
امروزه پرنده شناسان (Ornithologists) با مطالعات میدانی و تحقبق های آزمایشگاهی بر روی پرندگان به رشد علم اکولوژی و حفاظت پرندگان کمک میکنند و همینطور با کشف قوانین علمی طبیعت حاکم بر فیزیولوژی پرندگان، به رشد تکنولوژی های جدید سرعت می بخشند. از سوی دیگر، این پرنده نگر ها (Birders) هستند که با جمع آوری داده ها و اطلاعات زیاد و ارایه آن به پرنده شناسان، بسیاری از تحقیقات را میسر می کنند. حال آنکه این فعالیت برای یک پرنده گر بسیار فراتر از صرف مشاهده پرندگان و رفتار آنهاست. پرنده نگری علاوه بر آنکه میتواند تفریحی بی نظیر و لذتی عمیق باشد همچنین میتواند به مرور تبدیل به مراقبه ای برای شخص شود که او را هر چه بیشتر به حضور در لحظه و درک شگفتی هستی و پیوند با آن سوق می دهد.
