خزندگان؛ پادشاه زمین باستان

تمساح‌ها همانند پرندگان نفس می‌کشند؛ تشابهی که می‌شود آن را برخاسته از خصایص ذاتی جد مشترک این دو تیره‌ی متفاوت از جانداران دانست. این کشف، آخرین حلقه‌ی مفقوده‌‌ی فرآیند درک احتمالی راز حکم‌رانی خزندگان بر برهه‌ای از عمر دراز زمین را بر جای خود نهاد و نشان داد آن‌چه نقش نخست رشد یک‌باره و تسلط نهایی این خزندگان غول‌آسا بر زمین باستان را ایفا کرده، هوا بوده است؛ هوایی که آن‌روز از اکسیژن چندانی انباشته نبود.

جریان مداوم هوا در ریه‌ی ما انسان‌ها و دیگر پستانداران طبیعت همانند جزر و مد دریاست. جریان هوا پس از استنشاق، با عبور از سلسله گذرگاه‌های باریک‌شونده‌ای موسوم به «نایژک»ها، در نهایت به مجاری بن‌بست‌مانندی به نام «آلوئول» (Alveoli) در ریه رسیده و پس از تحویل مولکول‌های تازه‌نفس اکسیژن به گلبول‌های قرمز خون، دی‌اکسید‌کربن بی‌مصرف بدن را به دوش کشیده و بار دیگر از مسیر اولیه‌ ره‌سپار محیط بیرون می‌شود.

 سامانه‌ی تنفسی تمساح‌ها، راه حل معمای چیرگی خزندگان در گذشته بر خشکی‌های زمین را برای‌مان بازگو نمود

سامانه‌ی تنفسی تمساح‌ها، راه حل معمای چیرگی خزندگان در گذشته بر خشکی‌های زمین را برای‌مان بازگو نمود

اما جریان هوا در پرندگان به‌شکل یک‌سویه‌ی سازمان‌یافته و مسیر حلقوی پیوسته‌ای مدام پیموده می‌شود. عملیات تبادل گازها نیز به جای وقوع در آلوئول‌های ریز و بن‌بست‌مانند، حین عبور هوا از درون لوله‌های ریزی موسوم به «نایزه‌های مویین» (Parabronchi) انجام می‌گیرد.

تاکنون این سبک یک‌سویه‌ی تنفس را تنها خاص پرندگان می‌دانستیم و شیوه‌ی اکسیژن‌رسانی به عروق یک تمساح همانند پستانداران پنداشته می‌شد. اما نشانه‌های تشابه ساختاری سامانه‌ی تنفسی پرندگان و خزنده‌ای چون تمساح، اخیرا توسط «سی. جی. فارمر» از دانشگاه ایالتی یوتا و دانشجویان‌اش مشاهده گردید و همین امر آن‌ها را به بررسی‌های فراتر این فرضیه واداشت. چندی بعد آن‌ها به‌منظور تأیید یا رد قطعی فرضیه‌ی مزبور، دست به انجام سه آزمایش مجزا زدند:

در ابتدا با قراردادن یک ابزار شارسنج درون اندام تنفسی شش تمساح بی‌هوش، تیم پژوهشی اقدام به محاسبه‌ی جهت و سرعت جریان هوا به سوی شش‌ها نمودند. قدم دوم، تلمبه‌ی هوا به درون ریه‌های خارج‌شده از بدن چهار تمساح مرده و بررسی مسیر جریان هوا از درون منافذ موجود بود.

و نهایتا آزمایش سوم نیز شامل تزریق آبی محتوی مهره‌های فلوئورسانت به درون مجرای ورودی ریه‌ی یک تمساح مرده و ردگیری جهت جریان آب بود. هر سه آزمایش، نتیجه‌‌ی مشابهی به دست دادند: جریان، یک‌طرفه است.

 تصاویر CT-اسکن از یک تمساح آمریکایی. مجراهای تنفسی جانور، با رنگ‌آمیزی سه‌بعدی متمایز شده است

تصاویر CT-اسکن از یک تمساح آمریکایی. مجراهای تنفسی جانور، با رنگ‌آمیزی سه‌بعدی متمایز شده است

اساس کار ریه‌های یک‌سویه، وجود سوپاپ‌های آیرودینامیک است؛ آن‌‌گونه که نای جانور ابتدا هوای ورودی را به دو نایژه‌ی مجزا که هرکدام به یک ریه ختم می‌شود، هدایت می‌نماید. این نایژه‌ها خود از انشعابات مختلفی تشکیل شده‌اند.

اما هوای ورودی به‌سبب زاویه‌ی تند نخستین انشعاب نسبت به مسیر اصلی جریان، بی‌اعتنا از کنارش گذشته و به‌سوی سلسله نایژه‌های ریزتر پیش‌روی می‌کند تا در نهایت اکسیژن خود را تحویل گلبول‌های سرخ سرگردان در گرداگرد نایژه‌های مویین داده و با دریافت گازهای زاید همچون دی‌اکسیدکربن، به حرکت پیش‌رونده‌‌اش ادامه دهد.

این جریان هم‌چنان مسیر پیچ‌درپیچ درون شش‌ها را پیموده و نهایتا سر از نایژه‌ای که به‌سبب زاویه‌ی تندش آن را به‌هنگام ورود ندیده بود در آورده و با اتمام یک چرخه، از مسیری که آمده بود بازمی‌گردد.

از دلایلی که دانش‌مندان تا به امروز از وجود این جریان یک‌سویه در ریه‌های تمساح اطلاعی نداشتند، عدم تجهیز این ریه‌ها به کیسه‌های هوایی است؛ کیسه‌هایی که یا توجه به حضور در سامانه‌ی تنفسی پرندگان، گمان می‌رفت برای ابقای جریان یک‌سویه‌ی هوا ضروری‌اند.

اما به‌گفته‌‌ی فارمر، این کیسه‌ها تنها نقش توزیع جرم بدن پرنده را به‌منظور آسان‌سازی مانور‌های پروازی ایفا می‌کنند. او می‌گوید: «آن‌ها با وجود این داده‌ها، دیگر ادعایی ندارند. من سه مدرک دارم. اگر باور ندارند، بایستی تمساحی تهیه کرده و محاسبات خود را به انجام رسانند».

طلوع عصر خزندگان غول‌آسا

 طرحی از یک آرکوسور؛ جد پرندگان و خزندگان امروزی

طرحی از یک آرکوسور؛ جد پرندگان و خزندگان امروزی

این یافته تا حدی دانسته‌های دیرین‌شناسان از جانداران باستانی را نیز تحت‌الشعاع خود قرار داد؛ چراکه پرندگان و تمساح‌ها، جد مشترکی در زمان‌های دور داشته‌اند. پس از انقراض نسل بزرگی که در حدود ۲۵۱ میلیون سال پیش به‌وقوع پیوست و سبب نابودی ۷۰ درصد ساکنان خشکی و ۹۶ درصد آبزیان زمین، «مرگ بزرگ» نامیده شد.

موجوداتی موسوم به «آرکوسورها» (Archosaurs) یا «شاه‌سوسماران»، زمین را تحت سیطره‌ی خود گرفتند. دست طبیعت آن‌ها را در نهایت به دو تیره‌ی مجزا متحول ساخت: «کروکودیلین»ها (Crocodilians) که اجداد کروکودیل و تمساح امروزی‌اند؛ و دیگری شاخه‌ای که بعدها به «پتروسور»ها (Pterosaurs) (خزندگان پرنده)، دایناسورها و نهایتا پرندگان امروزی منشعب گردید.

اگر پرندگان و تمساح‌ها هر دو مجهز به سامانه‌ی تنفسی یک‌سویه بوده باشند؛ آن‌گاه این سامانه‌ بایستی درون بدن نیای مشترک‌شان یعنی آرکوسورها متحول گشته و تا پیش از انشعاب این دو تیره در حدود ۲۴۶ میلیون سال پیش، ایجاد شده باشد.

این کشف علت برتری آرکوسورها بر جانداران شبه‌پستانداری موسوم به «سیناپسید»ها که اجداد پستانداران امروزی بوده و تا پیش از «مرگ بزرگ» حکم‌ران خشکی‌ها بوده‌اند را در نزاع برای تسلط بر اوضاع پس از انقراض، توجیه می‌کند. اکوسیستم زخم‌خورده‌ی زمین در این دوران گرم و خشک بود و تراز فراوانی اکسیژن هوا تنها ۱۲ درصد بود؛ حال‌آنکه این مقدار امروزه به ۲۱ درصد رسیده است.

فارمر عنوان می‌کند که حتی با وجود مقادیر اندک اکسیژن در هوای آن‌روزهای زمین، آرکوسورها آشکارا توان ادامه‌ی فعالیت‌های حیاتی خود را داشته‌اند. او می‌گوید: «طراحی ریه‌ها نقش کلیدی این توانایی را به‌عهده داشت؛ چراکه نخستین قدم فروریزش اکسیژن از جو به درون بافت‌های جانور، ریه است».

علت اصلی وقوع انقراض نسل بزرگ ۲۵۱ میلیون سال پیش هم‌چنان ناشناخته مانده است. فعالیت‌های لجام‌گسیخته‌ی آتش‌فشانی، برخورد شهاب‌سنگی عظیم به زمین و یا آزادسازی منابع هنگفت متان به‌دام‌افتاده در یخ‌های بستر دریا از احتمالات مطرح شده است.

اما آن‌چه اهمیت دارد آن است که تنها جمعیت انگشت‌شماری از سیناپسیدها از این فاجعه‌ی جهانی جان به در برده و سبب ابقای نسل پستانداران زمین گشتند؛ هرچند از آن پس به‌سبب محدودیت سامانه‌ی تنفسی خود نحیف و ریزجثه ماندند و از ابعاد یک موش خرما پا فراتر ننهادند.

تنها جان‌داران بزرگ و حکم‌ران زمین در آن دوران، همان آرکوسورها بودند و این روند هم‌چنان تا ۶۵ میلیون سال پیش و وقوع انقراض نسلی دیگر ادامه یافت و از آن پس بود که پستان‌داران ابعاد بزرگ‌تری را اشغال نمودند.

طراحی برتر شش‌ها در پرندگان امروزی نیز آمد و شد اکسیژن را به‌طرز چشم‌گیری به‌بود بخشیده، چراکه آن‌ها توان پرواز در ارتفاعاتی که پستان‌داران به‌سرعت از حال می‌روند را به دلیل استفاده‌ی مرتب از هوای تازه، دارند. با این حال علت پیشی‌جستن دایناسورها از دیگر آرکوسورها در بخش‌هایی از تاریخ زمین هم‌چنان در هاله‌ای از ابهام است.

جزئیات این کشف، در شماره‌ی پانزدهم ژانویه‌ی نشریه‌ی «ساینس»، به چاپ رسیده است.

© / ترجمه: احسان سنایی / رادیوزمانه. دی۱۳۸۸