چرا پنگوئن‌های امپراتور در سرمای منفی ۵۰ درجه یخ نمی‌زنند؟

پرنده‌ای که چهار ماه بی‌غذا روی یخ می‌ایستد، تخمش را روی پا گرم نگه می‌دارد و از سخت‌ترین زمستان زمین زنده بیرون می‌آید.

حتی اگر عاشق روزهای برفی باشید، باز هم آرزو نمی‌کنید در زمستان قطب جنوب گیر بیفتید. اگر دستکش‌تان را در بیاورید، سرمای منطقه پس از چند دقیقه به پوستتان آسیب می‌زند، چه برسد به اینکه بخواهید چهار ماه آنجا بدون غذا، بی‌سرپناه و در تاریکی‌ای که هفته‌ها طول می‌کشد، دوام بیاورید.

پنگوئن امپراتور هر سال دقیقاً همین شرایط را پشت سر می‌گذارد و راز اصلی‌اش را هم دوربین‌های حرارتی فاش کردند. سطح بیرونی پرهای این پرنده گاهی چند درجه از هوای یخ‌زده‌ی اطرافش هم سردتر می‌شود. این پرنده برای گرم‌ماندن، باید سرد بماند!

زمستان جنوبی که از راه می‌رسد، خورشید در بخش‌هایی از قطب جنوب هفته‌ها زیر افق می‌ماند. دما تا منفی ۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد پایین می‌رود و بادهای سهمگین برف را به‌صورت هر موجود زنده‌ای می‌کوبند. درست در دل همین تاریکی، هزاران پنگوئن امپراتور شانه‌به‌شانه ایستاده‌اند. نرها هرکدام تخمی را زیر چینی از پوست شکمشان پنهان کرده‌اند؛ تخمی که باید در دمای حدود ۳۵ درجه بماند.

شگفت‌انگیزتر اینکه پنگوئن‌ها هر سال برای تولیدمثل به همین سرزمین یخ‌زده بازمی‌گردند و درست زمانی که شرایط آب‌وهوایی به سخت‌ترین وضعیت خود نزدیک می‌شود، زندگی نسل بعد را آغاز می‌کنند.

ولی پنگوئن امپراتور چگونه در چنین سرمایی زنده می‌ماند؟ چه چیزی از پاهای بدون پرش روی یخ محافظت می‌کند؟ بیایید زنجیره سازگاری‌های تکاملی این پرنده را کمی دقیق‌تر بررسی کنیم، از پرهایی با ساختار حساب‌شده تا رگ‌هایی که مثل مبدل حرارتی کار می‌کنند، یا بینی‌ای که گرمای نفس را پس می‌گیرد و رفتاری جمعی که هزاران پرنده را به پناهگاهی زنده تبدیل می‌کند.

داستان از پاییز نیمکره‌ی جنوبی شروع می‌شود. پنگوئن‌های امپراتور از اقیانوس بیرون می‌آیند و گاهی ده‌ها کیلومتر روی یخ دریایی پیاده‌روی می‌کنند تا به محل کلونی برسند. پس از جفت‌گیری، ماده فقط یک تخم می‌گذارد و حساس‌ترین لحظه‌ی فصل فرامی‌رسد.

تخم باید از پای مادر به پای پدر برسد. سطح یخ گرمای تخم را به‌سرعت می‌مکد و کمی بی‌دقتی به قیمت جان جنین تمام می‌شود. والدین با حرکاتی آرام و هماهنگ، تخم را جابه‌جا می‌کنند. نر آن را روی بخش بالایی پاهایش می‌گذارد و چین ضخیمی از پوست شکم را مثل پتو رویش می‌کشد. حالا تخم میان پاها و بدن پدر، در پناهی گرم، از یخ و باد در امان می‌ماند.

پنگوئن ماده بی‌درنگ راهی دریا می‌شود تا انرژی‌ای را که صرف ساختن تخم کرده، دوباره ذخیره کند. نر می‌ماند و زمستانی که تازه به اوج سختی‌اش نزدیک می‌شود. جوجه‌کشی حدود ۶۵ تا ۷۵ روز طول می‌کشد. در تمام این مدت، پدر باید دمای مرکزی بدنش را حدود ۳۷ تا ۳۸ درجه نگه دارد، درحالی‌که هوای اطراف ده‌ها درجه زیر صفر قرار دارد.

چرا این‌همه سختی، آن هم در زمستان؟ چرخه‌ی تولیدمثل پنگوئن امپراتور تقریباً ۹ ماه طول می‌کشد و زمان‌بندی‌اش به آینده‌ی جوجه‌ها مربوط می‌شود. آغاز این چرخه در پاییز و جوجه‌کشی در زمستان، به جوجه‌ها فرصت می‌دهد در بهار و اوایل تابستان جنوبی رشد کنند، پرهای مناسب شنا دربیاورند و حدود دسامبر، درست وقتی غذای بیشتری در دریا پیدا می‌شود، زندگی مستقلشان را آغاز کنند.

شرط موفقیت این نقشه، دوام یخ دریایی تا پایان رشد جوجه‌هاست، اما پیش از همه‌ی ماجراها، پدر باید از سخت‌ترین فصل زندگی‌اش جان سالم به در ببرد.

اگر دستتان را روی یک سطح فلزی سرد بگذارید، گرمای پوستتان به‌سرعت به فلز منتقل می‌شود. بدن تمام جانوران خون‌گرم هم دائماً با محیط اطراف تبادل گرما دارد. هرچه اختلاف دمای بدن و محیط بیشتر باشد، حفظ گرمای بدن دشوارتر می‌شود.

پنگوئن امپراتور با سوزاندن ذخایر چربی، گرما می‌سازد و با پوششی سه‌لایه، جلوی فرارش را می‌گیرد. لایه‌ی بیرونی را پرهایی کوتاه و متراکم می‌سازند که مثل سفال‌های یک بام روی‌هم چیده شده‌اند. زیر آن‌ها، ساختارهای ظریف‌تری لایه‌ای از هوای ساکن را نزدیک پوست به دام می‌اندازند.

هوای ساکن، عایقی فوق‌العاده به شمار می‌رود؛ همان اصلی که پنجره‌های دوجداره را گرم نگه می‌دارد. زیر پوشش پرها هم لایه‌ی چربی زیرپوستی قرار دارد که ضخامتش با وضعیت تغذیه‌ی پرنده کم‌وزیاد می‌شود.

تصویربرداری حرارتی از پنگوئن‌ها نشان می‌دهد بیشتر افت دما در همین چند سانتی‌متر عایق رخ می‌دهد، اندام‌های درونی گرم می‌مانند، اما سطح بیرونی پرها گاهی چند درجه از هوای اطراف هم سردتر می‌شود. پژوهشگرانی که این تصاویر را در سال ۲۰۱۳ منتشر کردند، احتمال دادند پرنده در چنین وضعی حتی اندکی گرما از هوای اطراف جذب کند.

هوای ساکنِ به‌دام‌افتاده میان پرهای متراکم، بدن پنگوئن را عایق می‌کند

درواقع گرمای بدن پنگوئن پیش از رسیدن به سطح پرها، در دام عایق می‌ماند. اندازه و شکل بدن پنگوئن امپراتور نیز به حفظ گرما کمک می‌کند در مقایسه با جانوران کوچک‌تر با شکل مشابه، بدن درشت و فشرده‌ی پنگوئن امپراتور نسبت به حجمش سطح کمی دارد و گرما دقیقاً از همین سطح فرار می‌کند. باله‌ها و منقار نسبتاً کوچک هم سطح اندام‌های در معرض سرما را محدود نگه می‌دارند.

البته کتی که پنگوئن‌ به تن دارد، نگهداری می‌خواهد. پنگوئن‌ها زمان زیادی را صرف تمیز و مرتب‌کردن پرهایشان با منقار می‌کنند و ترشحات غده‌ی پیش‌دمی را رویشان می‌مالند. هر پری که از جای خودش بیرون بزند، روزنه‌ای برای فرار گرما باز می‌کند.

اما پاها و منقار از این کت گرم بی‌نصیب مانده‌اند. پس پنگوئن چطور ساعت‌ها روی یخ می‌ایستد؟

شاید عجیب‌ترین بخش بدن پنگوئن امپراتور پاهایش باشد؛ پاهایی بی‌پر که هفته‌ها روی یخ می‌مانند و سالم بیرون می‌آیند. برای درک ماجرا باید مسیر خون را دنبال کنیم.

خون گرم از مرکز بدن به‌سوی پاها راه می‌افتد. اگر با همان دمای بالا به انگشتان برسد، بخش بزرگی از گرمایش را به یخ می‌بازد. بدن پنگوئن با آرایش ویژه رگ‌های خونی، بخش زیادی از این اتلاف را کاهش می‌دهد. سرخرگ‌هایی که خون گرم را پایین می‌برند، تنگاتنگ سیاهرگ‌هایی قرار دارند که خون سرد را بالا می‌آورند.

دو لوله‌ی آب را تصور کنید که کنار هم کشیده شده‌اند؛ در یکی آب داغ روبه‌پایین می‌رود و در دیگری آب سرد روبه‌بالا. در طول مسیر، آب داغ گرمایش را به آب سرد می‌دهد و وقتی به انتها می‌رسد خنک شده، همان‌طور که آب سرد هم پیش از رسیدن به مبدأ گرم می‌شود. در بدن پنگوئن هم اتفاق مشابهی می‌افتد.

زیست‌شناسان به این سازوکار «تبادل گرمای خلاف‌جهت» می‌گویند، یعنی بدن پرنده گرمایی را که قرار بود از راه پاها هدر برود، پیش از اینکه خون به انگشتان برسد، پس می‌گیرد، به همین دلیل بخش‌های انتهایی پا بسیار سردتر از مرکز بدن باقی می‌مانند.

پاهای پنگوئن برخلاف تصور، عمداً سرد نگه داشته می‌شوند تا گرمای حیاتی بدن هدر نرود

پژوهشگران دمای بخش‌های بالاتر پای پنگوئن را چند درجه بالاتر از صفر گزارش کردند، درحالی‌که سطح بیرونی انگشتان و پرده‌ی میانشان حتی می‌تواند به زیر صفر درجه هم برسد. بااین‌حال، بافت‌های درونی همچنان خون‌رسانی می‌شوند. پنگوئن با تنظیم دقیق جریان خون، میان صرفه‌جویی در گرما و سلامت بافت‌ها تعادل برقرار می‌کند.

پنگوئن امپراتور ترفندی رفتاری هم در آستین دارد. هنگام استراحت، وزنش را روی پاشنه‌ها و دم سفتش می‌اندازد و انگشتان را از یخ بلند می‌کند؛ مثل کسی که روی سه‌پایه نشسته باشد. جالب اینکه بینی پنگوئن هم با همین منطق کار می‌کند.

هوای بازدم، گرم و مرطوب از شش‌ها بیرون می‌آید و اگر مستقیم خارج شود، گرما و آب بدن را با خود می‌برد. اما مجاری بینی پنگوئن سردترند. هوای گرم هنگام عبور، گرمایش را به دیواره‌ها می‌دهد و بخشی از بخار آبش همان‌جا میعان می‌شود.

در دم بعدی، دیواره‌های گرم‌شده هوای سرد ورودی را پیش‌گرم می‌کنند. شاید صرفه‌جویی هر نفس پنگوئن ناچیز به نظر برسد، اما در ماه‌های گرسنگی، هر کالری ارزشمند می‌شود. باوجود تمام این سازگاری‌ها، یک پنگوئن تنها در برابر توفان‌های زمستانی همچنان آسیب‌پذیر می‌ماند. اینجا یکی از تماشایی‌ترین رفتارهای اجتماعی جانوران آغاز می‌شود.

وقتی باد زوزه می‌کشد و دما سقوط می‌کند، پنگوئن‌ها به هم نزدیک می‌شوند. اول گروه‌های کوچک شکل می‌گیرند، بعد پرندگان بیشتری به جمع می‌پیوندند تا توده‌ای از صدها یا هزاران پنگوئن پدید آید؛ چنان فشرده که گاهی ده پرنده در یک مترمربع جا می‌گیرند.

در تجمع پنگوئن‌ها، هر پرنده سپر همسایه‌اش می‌شود و پرندگان مرکز، سطح بسیار کمی از بدنشان را در معرض باد قرار می‌دهند. در یکی از پژوهش‌ها محققان شاهد بودند که دمای هوای میان پرندگان در تجمع‌های بسیار فشرده به ۳۷٫۵ درجه رسید، یعنی تقریباً هم‌دمای بدن خودشان، درحالی‌که بیرون توده هوا ده‌ها درجه زیر صفر بود.

هزاران پنگوئن در توده‌ای فشرده می‌لغزند تا باد قطبی را بی‌اثر کرده و گرمای مشترک تولید کنند

تجمع گروهی پنگوئن‌ها راهی برای صرفه‌جویی انرژی هم محسوب می‌شود. برآوردها نشان می‌دهد پنگوئن‌هایی که امکان تجمع دارند، تقریباً نصف پرندگان تنها انرژی مصرف می‌کنند. برای پدری که هفته‌هاست با معده‌ی خالی ایستاده، چنین صرفه‌جویی‌ای مرز میان ماندن و رفتن را تعیین می‌کند.

اما تجمع پنگوئن‌ها مشکلی هم دارد، پنگوئن‌های مرکز گروه بیشتر محافظت می‌شوند، درحالی‌که پرندگان لبه بیرونی همچنان با باد و سرما روبه‌رو هستند. اگر جایگاه‌ها ثابت می‌ماندند، عده‌ای همیشه گرم بودند و عده‌ای همیشه در سرما.

پژوهشگرانی که فیلم‌های یک کلونی را فریم‌به‌فریم بررسی کردند، به الگوی غافلگیرکننده‌ای رسیدند. پنگوئن‌ها تقریباً هر ۳۰ تا ۶۰ ثانیه قدمی کوچک برمی‌دارند؛ جابه‌جایی‌ای فقط ۵ تا ۱۰ سانتی‌متری که مثل موج در سراسر توده پخش می‌شود.

صف ماشین‌ها پشت چراغ قرمز را تصور کنید. وقتی چراغ سبز می‌شود، ماشین اول حرکت می‌کند، بعد ماشین دوم و به همین ترتیب حرکت به انتهای صف می‌رسد. در توده‌ی پنگوئن‌ها هم اتفاق مشابهی رخ می‌دهد. همین قدم‌های کوچک و ریز به آن‌ها اجازه می‌دهد بدون ازهم‌پاشیدن تجمع فشرده‌شان، آرام‌آرام جابه‌جا شوند.

در مقیاس ساعت‌ها، توده‌ها شکل عوض می‌کنند، می‌لغزند، از هم باز می‌شوند و دوباره شکل می‌گیرند. گاهی هم آن‌قدر گرم می‌شوند که پرندگان برای خنک‌شدن از هم فاصله می‌گیرند و توده فرو می‌پاشد. این جنب‌وجوش دائمی، به همه فرصت می‌دهد دیر یا زود سهمی از گرمای مرکز ببرند.

گرسنگی پدر از روز ورود به کلونی شروع می‌شود، نه از روز تحویل تخم. پنگوئن‌ها پیش از تخم‌گذاری هم مدتی را در کلونی به جفت‌یابی و تولیدمثل می‌گذرانند و در این دوره به غذا دسترسی ندارند و بعد، حدود دو ماه جوجه‌کشی از راه می‌رسد. جمع این دوره‌ها به ۱۱۰ تا ۱۲۰ روز می‌رسد و پرنده نزدیک به نیمی از وزنش را از دست می‌دهد.

راز دوام پنگوئن به چربی ذخیره شده‌ای برمی‌گردد که او پیش‌تر اندوخته است. پنگوئن‌ها پیش از سفر به کلونی، در دریا حسابی شکار می‌کنند و لایه‌ی چربی‌شان را ضخیم می‌کنند. در بیشتر دوران گرسنگی، بدن انرژی‌اش را از همین چربی‌ها می‌گیرد و پروتئین‌ها، یعنی عضلات و بافت‌های حیاتی، را تا حد ممکن دست‌نخورده نگه می‌دارد.

پنگوئن نر پیش از بازگشت ماده، تا نیمی از وزن خود را برای گرم نگه داشتن تخم از دست می‌دهد

وقتی چربی‌ها ته می‌کشند، بدن ناچار سراغ پروتئین‌ها می‌رود. به نظر می‌رسد همین تغییر سوخت مثل زنگ هشداری عمل می‌کند که به پرنده خبر می‌دهد وقتش رسیده کلونی را ترک کند و به دریا برود. در این فاصله، پدر با کم‌تحرکی و حضور در کلونی، هر کالری را با وسواس خرج می‌کند.

هر روز که می‌گذرد، ذخایر بدن او کمتر می‌شوند و بازگشت ماده اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. اگر ماده به‌موقع برسد، مراقبت از جوجه را برعهده می‌گیرد و نر سرانجام می‌تواند راه دریا را پیش بگیرد. ولی اگر پنگوئن ماده دیر کند، پدر میان ماندن کنار جوجه و نجات جان خودش گرفتار می‌شود.

پس از هفته‌ها گرسنگی، نر سرانجام به دریا می‌رسد. اما محیطی که غذای او را فراهم می‌کند، از نظر اتلاف گرما چالش دیگری دارد. دمای آب اقیانوس اطراف قطب جنوب می‌تواند به حدود منفی ۱٫۹ درجه سانتی‌گراد برسد. آب شور در این دما هنوز می‌تواند مایع باقی بماند، زیرا نمک نقطه انجماد آن را پایین می‌آورد.

اقیانوس نزدیک به نقطه انجماد، چالش جدیدی است که پنگوئن پس از ماه‌ها گرسنگی با آن روبه‌رو می‌شود

مهم‌تر اینکه آب گرما را بسیار سریع‌تر از هوا از بدن می‌گیرد (تفاوت ایستادن در هوای ده درجه با شنا در آب ده درجه را به یاد بیاورید). پنگوئن برای شکار ماهی، کریل و ماهی مرکب گاهی صدها متر شیرجه می‌زند و چندین دقیقه زیر آب می‌ماند.

پرهای متراکم اینجا هم نخستین سد دفاعی پنگوئن‌اند، هرچند فشار آب در عمق، هوای محبوس میانشان را می‌فشارد و از کارایی‌شان می‌کاهد. چربی زیرپوستی در این لحظه نقشی کلیدی ایفا می‌کند، چون حجم چربی برخلاف هوا زیر فشار تغییر زیادی نمی‌کند.

یکی دیگر از سازگاری‌های بدن پنگوئن با محیط سخت قطب را اینجا مشاهده می‌کنیم؛ وقتی جریان خون در باله‌های پرنده کم‌وزیاد می‌شود و تبادل گرمای خلاف‌جهت در این اندام‌ها نیز گرمای مرکز بدن را حفظ می‌کند. به‌علاوه عضلات قدرتمند شنا هم ضمن حرکت، گرما تولید می‌کنند.

جانوری که چند هفته پیش بی‌حرکت روی یخ ایستاده بود، حالا در آبی تقریباً یخ‌زده، به شکارچی چابکی تبدیل می‌شود.

پس از حدود دو ماه، صدای ضعیفی از زیر چین پوستی شکم پدر بلند می‌شود. جوجه، بسته به محل کلونی، در ماه جولای یا آگوست، یعنی میانه تا اواخر زمستان جنوبی، سر از تخم بیرون می‌آورد.

زمان‌بندی آب شدن یخ‌های دریایی، سرنوشت جوجه‌ها را پیش از ورود به اقیانوس رقم می‌زند

بدن نوزاد پنگوئن پوششی از کرک دارد، اما تا حدود ۵۰ روز برای گرم‌ماندن به والدینش وابسته می‌ماند. بیشتر این هفته‌ها را هم روی پای یکی از والدین و زیر همان چین پوستی گرم می‌گذراند.

اگر بازگشت پنگوئن ماده طول بکشد، پنگوئن نر در صورت لزوم می‌تواند مقدار محدودی ماده غذایی به جوجه بدهد، ماده‌ای که از مری ترشح می‌شود و گاهی به آن «شیر پنگوئن» می‌گویند. البته اشتباه نکنید، شیر پنگوئن شباهتی به شیر پستانداران ندارد و مقدارش هم زیاد نیست، فقط راهکاری موقت برای تغذیه جوجه محسوب می‌شود.

وقتی پنگوئن ماده برمی‌گردد، جای والدین عوض می‌شود. نر، لاغر و خسته، پس از ماه‌ها راهی دریا می‌شود و ماده جوجه را با غذایی که از سفر دریایی آورده، تغذیه می‌کند. ازآن‌پس، والدین به‌نوبت میان کلونی و دریا رفت‌وآمد می‌کنند.

جوجه‌های بزرگ‌تر نیز در گروه‌هایی کنار یکدیگر جمع می‌شوند و بخشی از زمانشان را بدون حضور مستقیم والدین می‌گذرانند. اما آن‌ها هنوز یک مرحله‌ی دشوار دیگر هم پیش رو دارند، زیرا زمانی می‌توانند به دریا بروند و وارد آب شوند که پوشش کرکی بدنشان با پرهای مناسب شنا جایگزین شود.

اگر یخ زیر پای جوجه پنگوئن‌ها زودتر از موعد بشکند و آن‌ها پیش از کامل‌شدن پوشش ضدآب بدنشان وارد دریا شوند، احتمال زنده‌ماندنشان کاهش می‌یابد. پژوهشی بر پایه‌ی تصاویر ماهواره‌ای نشان داد در فصل تولیدمثل ۲۰۲۲، ازدست‌رفتن زودهنگام یخ دریایی به شکست تولیدمثل در چند کلونی انجامید.

بدن پنگوئن امپراتور طی هزاران نسل تکامل یافت تا در سرمای قطب جنوب زنده بماند. از پرهای متراکم و گردش خون ویژه گرفته تا شیوه‌ی تنفس و زندگی گروهی، همه‌چیز در بدن و رفتار این پرنده برای تحمل سرمای شدید سازگار شد. پنگوئن‌ها در برابر سرمای منفی ۵۰ درجه تقریباً شکست‌ناپذیر به نظر می‌رسند و کل نقشه‌ی بقای آن‌ها به زمین بستگی دارد، به یخی که باید تا پایان فصل زیر پای جوجه‌ها دوام بیاورد.