جدیدترین تکنیک تعیین سرعت حیوانات

دانشمندان آلمانی روز گذشته از جدیدترین روش تعیین سرعت حیوانات پرده برداشتند. بر اساس تازه‌ترین تحقیقات که نتیجه آن دو روز پیش در مجله نیچر (Nature) چاپ شد، دانشمندان مدعی شده‌اند که روشی را پیدا کرده‌اند که با استفاده از آن می‌توان حداکثر سرعت را در حیوانات از روی ابعاد بدن تشخیص داد. جالب اینجاست که ظاهرا این روش حتی بر روی دایناسورها هم جواب می‌دهد و می‌تواند سرعت آن‌ها را در آن زمان تخمین بزند.

همان‌طور که می‌دانید، یوزپلنگ‌ها عنوان سریع‌ترین دونده خشکی را به خود اختصاص داده‌اند و می‌توانند در مواقع اضطراری با سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ساعت (۷۰ مایل در ساعت) بدوند. در مقابل آن‌ها لاک‌پشت‌های گالاپاگوس را تصور کنید، آن‌ها نیز تقریبا همان ابعاد بدنی یوزها را دارند اما سریع‌ترین سرعتی که برای آن‌ها ثبت شده، ۰.۰۲۷ کیلومتر بر ساعت (۰.۱۷ مایل بر ساعت) بوده است. سوال‌های محققان نیز از اینجا شروع شد؛ چه معیارهایی تعیین‌کننده سرعت در حیوانات هستند؟

فرضیات شهودی

یک یوزپلنگ می‌تواند سریع‌تر از خیلی از ماشین‌ها و تنها در ظرف ۳ ثانیه از ۰ به ۹۶ کیلومتر در ساعت ( ۰ به ۶۰ مایل در ساعت) سرعت برسد

از نظر ادراک حسی می‌توان این‌طور گفت که حیوانات بزرگ‌تر احتمالا باید سریع‌تر هم حرکت کنند یعنی هر چقدر که یک حیوان بتواند گام‌های بلندتری بردارد، سرعت آن هم بیش‌تر خواهد بود. اما این قانون سرانگشتی همیشه هم درست نیست. تحقیقاتی که پیش‌تر انجام شده، نشان می‌دهد که سریع‌ترین حیوانات نه بزرگ‌ترین و نه کوچک‌ترین‌ها هستند بلکه در حقیقت از نظر اندازه حد وسط را دارند درست مانند یوزپلنگ‌ها.

اما با وجود دانستن این مسئله باز هم دانشمندان یک مشکل اساسی داشتند و آن هم پیش‌بینی سرعت بدون نگاه کردن به حیوان در حال دویدن، پرواز و یا شنا کردن بود. یک مشکل اساسی دیگر هم گونه‌های منقرض‌شده‌ای مانند دایناسورها بودند، آن‌ها چه سرعتی داشته‌اند. حتی یک مشکل دیگر هم در میان بود، چطور می‌توان سرعت یک دونده خشکی را با یک شناگر در آب یا یک پرنده در هوا مقایسه کرد؟

میریام هیرت (Miriam Hirt) یک بوم‌شناس از مرکز تحقیقات تکمیلی تنوع زیستی آلمان زمانی با این مشکل مواجه شد که خواست فرمولی برای پیش‌بینی سرعت حیوانات ارائه دهد. وی در این زمینه به بخش خبری نشنال‌جئوگرافی گفت: «بر اساس فرمولی که من پیشنهاد دادم این نتیجه حاصل می‌شود که فرضا حداکثر سرعت یک فیل نمی‌تواند ۶۰۰ کیلومتر بر ساعت (۳۷۳ مایل بر ساعت) باشد بلکه سرعت واقعی یک فیل آفریقایی حدودا ۴۰ کیلومتر بر ساعت (۲۴.۹ مایل بر ساعت) است.

اما این فرمول هم باز خیلی ابتدایی بود و در همه‌جا کارآیی نداشت بنابراین با همکارم اولریش بروس (Ulrich Brose) که وی هم یک بوم‌شناس از دانشگاه گوتینگن است، به ابداع روش بهتری فکر کردیم که با استفاده از آن بتوان سرعت هر حیوانی را اندازه‌گیری کرد.»

دکتر هیرت در ادامه صحبت‌های خود می‌افزاید: «ما به‌نوعی همان الگویی را که از ابتدا مدنظر من بود در سایر موارد هم مشاهده می‌کردیم اما من می‌دانستم که یک چیز خیلی ابتدایی باید در پشت همه این الگوها وجود داشته باشد.»

این چیز خیلی ابتدایی و البته کلیدی را دکتر هیرت و همکارانش در آخرین شماره ماه جولای مجله بوم‌شناسی طبیعت و تکامل به تفصیل تشریح کرده‌اند. اصل ماجرا اینجاست:

چقدر طول می‌کشد تا حیوان شتاب بگیرد.

نتایج تحقیقات این دو دانشمند آلمانی در نمودارهای فوق تشریح شده است

در نمودار الف، شتاب حیوانات را می‌بینید که از یک خط منحنی تبعیت می‌کند و این منحنی هم‌بسته به میزان جرم بدن به خط نقطه‌چین که سرعت حداکثر فرضی است، میل می‌کند. در نمودار ب، زمان لازم برای رسیدن به شتاب نشان داده شده است که با افزایش جرم آن‌هم افزایش پیدا می‌کند.

در نمودار ث، زمان حیاتی که در اصل تعیین‌کننده حداکثر سرعت است، نشان داده شده و درنهایت هم در نمودار د، می‌بینید که حداکثر سرعت تحت تأثیر جرم دستخوش چه تغییری می‌شود یعنی درواقع فیل سنگین‌وزن نقطه افت منحنی و یوز متوسط جثه جایی که منحنی قوزدار می‌شود را به‌خوبی نشان می‌دهند. بر اساس همین منحنی‌ها دانشمندان قادر خواهند بود که سرعت سایر حیوانات را هم شبیه‌سازی کنند.

ابهامات کنار می‌رود

اما زمان شتاب‌گیری حیوانات بستگی به چند چیز دارد: ۱) جرم بدن حیوان ۲) روش جابجایی که منظور از آن این است که فرضا حیوان شنا می‌کند یا نه بالعکس در خشکی می‌دود. مطالعات نشان می‌دهد که حیوانات بزرگ‌تر زمانی که می‌خواهند شتاب‌ بگیرند، خیلی سریع‌تر از ماهیچه‌هایشان نیرو  می‌گیرند و همین مسئله باعث می‌شود که در مقایسه با حیوانات متوسط جثه‌ای مثل یوزها خیلی سریع‌تر هم به آن حد نهایی برسند. در حقیقت به‌صورت خیلی عامیانه می‌توان گفت که با همان سرعتی هم که از ماهیچه‌ها نیرو می‌گیرند، ماهیچه‌ها هم با همان سرعت کم می‌آورند.

گری‌هوند ازجمله نژادهایی هستند که اغلب برای سرعتشان تکثیر می‌شوند.

دانشمندان می‌گویند که همین دو فاکتور می‌تواند ۹۰ درصد تغییرات سرعتی را در حیوانات تشریح کند. بعلاوه این روش تنها برای حیوانات زنده جوابگو نیست بلکه حتی دیرینه‌شناسانی هم که بر روی رد پا و اسکلت‌های دایناسورها کار می‌کنند، می‌توانند از آن برای تعیین سرعت استفاده کنند. به‌عنوان مثال مدل هیرت و بروس پیش‌بینی می‌کند که تیرانوسائوروس رکس‌ها  Tyrannosaurus rex(یکی از دایناسورهای بزرگ‌جثه) خیلی کندتر از ولوسی‌رپتورها  Velociraptorبوده‌اند. لازم به ذکر است که ولوسی‌رپتور در زبان اسپانیایی نیز به معنای شکارچی سریع است.

افزودن فاکتورهای دیگر

گورهای ایرانی وقتی پای سرعت در میان باشد از سگ‌های شکاری مثل گری‌هوند کم نمی‌آورند. حداکثر سرعت آن‌ها با گری‌هوندها برابر و معادل ۶۹ کیلومتر در ساعت تخمین زده شده است

تیم تحقیقاتی دکتر هیرت درصدد است که مطالعات خود را در این زمینه ادامه دهد و فاکتورهای دیگری مانند درجه حرارت را نیز به آن بیفزاید. دکتر بروس می‌گوید: «ما تصور می‌کنیم که تقابلات شکار و طعمه یکی از آن دست مواردی است که ما از طریق آن می‌توانیم این روش پیش‌بینی را کاربردی کنیم  و اکنون می‌خواهیم به این برسیم که آیا مدل ما می‌تواند پیش‌بینی کند که کدام حیوانات سریع، کندترها را شکار می‌کنند. ما دست‌کم ۴۰ میلیون گونه بر روی کره زمین داریم، پس طبیعتا باید تقابلات شکار و طعمه بیش‌تری هم از آنچه که تا امروز تصور می‌شده، روی کره زمین وجود داشته باشد.»

راز موفقیت تنبل‌ها

تنبل‌ها، کندترین پستانداران روی کره زمین که در آمریکای مرکزی و جنوبی زیست می‌کنند

اما سرعت همیشه هم خوب نیست به‌عنوان مثال زمانی که فرار کردن از دست شکارچی میسر نیست، طبیعتا دفاع بهترین کار است. حیوانی به نام تنبل کندترین پستاندار روی کره زمین است که حداکثر سرعتش ۱.۶ کیلومتر بر ساعت تخمین زده شده است. بکی کلیفه (Becky Cliffe) یک جانورشناس است که در مرکز تحقیقاتی کاستاریکا و بخش قرنطینه تنبل‌ها(Sloth Sanctuary)  کار می‌کند.

وی می‌گوید که تنبل‌ها متابولیسم خیلی آهسته‌ای دارند و برای هر حرکت باید از قبل برنامه‌ریزی کنند. آن‌ها حتی نمی‌توانند درجه حرارت بدن خودشان را تنظیم کنند و این مسئله هضم غذای آن‌ها را هم تحت تأثیر قرار می‌دهد. جالب است بدانید که غذا به‌طور متوسط ۱۶ روز طول می‌کشد تا از سیستم گوارشی تنبل‌ها عبور کند. اما اگر هوا گرم‌تر شود، این زمان هم تا حدودی تسریع می‌شود بنابراین زمانی که هوا گرم‌تر است، تنبل‌ها هم بیش‌تر غذا می‌خورند. اما این سرعت پایین چه کمکی می‌تواند به آن‌ها بکند؟

دکتر کلیفه نتیجه تحقیقات خود را دو سال پیش در مجله علمی پیرژ (PeerJ) چاپ کرد. نتیجه تحقیقات او نشان می‌دهد که همین سرعت پایین تنبل‌هاست که باعث شده تا آن‌ها اعجوبه استتار و مخفی‌کاری باشند. جالب اینجاست که سرعت آن‌ها به‌اندازه‌ای کم است که به جلبک‌ها اجازه می‌دهد تا آرام‌آرام بر روی موهای بدنشان رشد کنند و رفته‌رفته آن‌ها را با تاج پوشش گیاهان یکی کنند. به گفته دکتر کلیفه سرعت تنبل‌ها به حدی پایین است که باعث می‌شود عملا از دید شکارچیانی مانند گربه‌سانان یا حتی پرندگان شکاری تیزبین هم مخفی بمانند. اما در این میان قدرت استتار آن‌هاست که بیش‌ترین تاثیر دفاعی را دارد.

علم سرعت

یوزها اما برای رسیدن به حداکثر سرعت تکامل یافته‌اند. در مورد آن‌ها ۷ فاکتور مهم است که تضمین‌کننده سرعت است: وزن، دم، مهره پشت یا ستون فقرات، وسعت شش‌ها، جمجمه و دندان‌ها، کف پا و پنجه‌ها و درنهایت هم خود پاها.

وزن یک یوزپلنگ نر به‌طور متوسط ۴۱ الی ۴۵ کیلوگرم است و وزن متوسط یک یوز ماده تنها ۳۶ تا ۳۷ کیلوگرم بنابراین یوزها نیز مانند هر پستاندار دیگری که برای گرفتن طعمه مجبور به دویدن است، می‌بایست بدنی کشسان داشته باشند. اما دم آن‌ها بین ۶۰ تا ۹۰ سانتی‌متر است. فلجي ۳ مهره انتهايي دم که در جمعيت‌هاي پوما و يوز بعضا ظهور مي‌کند، نشانه عبور از گردنه بطري در برهه‌اي از تاريخ حيات و همچنين دليلي ديگر بر اثبات وجود جد مشترک ميان یوزها و پوماهاست.

دم عضلانی یوزها نصف طول سر و دم است بنابراین نقش اصلی در ایجاد توازن بالاخص در زمان اوج سرعت حیوان دارد. وسعت اندام‌های تنفسی یوزها در اصل به این دلیل است که باید اکسیژن را سریع به ماهیچه‌ها برسانند. این سطح وسیع، زمانی کارایی‌اش را نشان می‌دهد که یوز در حداکثر سرعت مجبور می‌شود ۱۵۰ بار در دقیقه نفس بکشد درحالی‌که در شرایط عادی یک یوز تنها ۶۰ بار در دقیقه نفس می‌کشد.

ستون فقرات یوزها بلند و قابل ارتجاع کامل است. پیشانی بلند و آرواره‌های تکامل یافته ، دندان‌های نیش کوتاه و تیز یوزها نیز به دلیل همین سرعت است که تکامل یافته و با سایر گربه‌سانان تمایزهای آشکار نشان می‌دهد. پاهای یوزها درست برخلاف دیگر گربه‌سانان کاملا کشیدگی دارد. ساق پا (tibia) و نازک نی (fibia) به‌نوعی با یکدیگر درهم آمیخته‌اند و همین مسئله باعث می‌شود که در زمان حداکثر سرعت، پایداری هم به اوج  برسد و دقیقا همین مسئله است که نقطه تمایز یوزها با پلنگ‌هاست چراکه هر دو علاقه به بالا رفتن از بلندی را دارند اما مهارت و چالاکی یوزها در برابر پلنگ‌ها درست به همین دلیل کم‌تر است.

اینکه یوزها چرا تا این اندازه متفاوت تکامل پیدا کرده‌اند به‌طور مشخص با تاریخچه زندگی آن‌ها در ارتباط است. ما امروز می‌دانیم که يکي از نظريات مورد قبول این است که در حدود ۶.۷ ميليون سال قبل اجداد پوما از اجداد و شاخه اصلي گربه‌سانان جدا شدند. از اين جد که به جد پوما معروف است در حدود ۴.۹ ميليون سال قبل سه خويشاوند نزديک یعنی شير کوهي (Puma concolor) ، جگاروندي (Puma yaguarondi) و نهايتا يوز جدا شدند. یوزها نیز در ظرف ۴.۹ میلیون سال تمام آنچه را که در چنته داشتند برای رسیدن به حداکثر سرعت رو کردند.