قد يساعد الفهم الأفضل لسلوك الحوت وكيفية تكون فقاعات النيتروجين العلماء في تطوير وسائل تقي الحيتان من تلك المشكلات.

ما العامل المشترك بين الحيتان وزجاجات المشروبات الغازية؟

عندما تقوم بفتح زجاجة مشروب غازي، بإمكانك رؤية الفقاعات وهي تتكون، وإذا رججت الزجاجة قبل فتحها، فسيندفع السائل بسرعة خارجًا من الزجاجة. خارج الزجاجة يمكن أن تتكون الفقاعات أيضًا داخل الحيتان التي تغوص، وتسبب مشكلة تُعرف بداء الغواص (مرض تخفيف الضغط) [1]. في كل من زجاجة المشروب الغازي والحيتان التي تغوص، تتكون الفقاعات من الغاز المُذاب بفعل الضغط المتزايد، وعندما تُفتح زجاجة المشروب الغازي، وعندما يعود الحوت إلى السطح للتنفس، يقل الضغط، مما يتسبب في تكوين الفقاعات.

تعطي الفقاعات الموجودة في المشروبات الغازية طعمًا فوارًا للمشروب، وهو أمر جيد، ولكن يمكن أن تسبب الفقاعات مشكلات إذا تكونت داخل الحوت (الشكل 1). على سبيل المثال، إذا تكونت هذه الفقاعات داخل الأوعية الدموية، فقد تعيق تدفق الدم وتمنع وصول الأكسجين إلى الأنسجة. في هذه الحالة، تتعرض الأنسجة لنقص الأكسجة، وهو مصطلح علمي للتعبير عن الحالة التي يكون فيها مستوى تشبع الأكسجين منخفضًا للغاية. نظرًا لأن الأكسجين مهم في تحويل الطعام إلى طاقة، لا يمكن للثدييات العيش بدون أكسجين، وقد يتسبب نقص الأكسجة في موت الأنسجة. وإذا تكونت الفقاعات في القلب أو في الجهاز العصبي، فقد يؤدي ذلك إلى موت الحوت.

لدى الحيتان والثدييات البحرية الأخرى العديد من وسائل التكيف الفسيولوجية والتشريحية التي تساعد على تقليل خطر تكون الفقاعات بعد الغوص. ومع ذلك، فقد تتعرض تلك الكائنات إلى بعض المواقف غير المعتادة من صنع الإنسان، التي لا تعمل فيها وسائل التكيف هذه كما ينبغي [2, 3]. فأثناء الغوص الطبيعي، تنتقل الغازات مثل الأكسجين والنيتروجين من الرئتين إلى الدم وتنتقل تلك الغازات إلى جميع أجزاء الجسم عن طريق الجهاز الدوري (القلب والأوعية الدموية). عندما يغوص الحوت، يزداد ضغط المياه المحيطة كلما تعمق أكثر، مما يضغط على القفص الصدري للحوت، والذي بدوره يؤدي إلى زيادة الضغط في الرئتين. تزداد كمية الغاز المذاب في السائل (الدم في هذه الحالة) بزيادة الضغط، لذلك فإن الضغط المتزايد في الرئتين يزيد من كمية الغاز الذي يمتصه الدم، ثم ينتشر في جميع أجزاء جسم الحوت. يمكنك تجربة ذلك باستخدام زجاجة مشروب غازي أو علبة ( لا يمكن استخدام عبوة زجاجية)، أو مياه غازية إذا كنت ترغب في بديل صحي، وإجراء التجربة التالية: اطلب من صديقك أو والدتك أو والدك رج العلبة، ثم اطلب منهم فتحها دون سكب السائل. رج الزجاجة يجعل الغاز يتحرك (في هذه الحالة ثاني أكسيد الكربون) وعندما تُفتح الزجاجة، يخرج الغاز بسرعة من السائل نظرًا لانخفاض الضغط، مما يدفع السائل للتدفق خارج الزجاجة. ما يمكنك فعله لمنع السائل من التدفق للخارج هو الضغط على الزجاجة بقوة لمدة دقيقتين قبل فتحها. عندما تضغط على الزجاجة، يزداد الضغط بداخلها، مما يعيد الغاز مرة أخري إلى السائل، ومن ثم يمكنك فتح الزجاجة دون اندفاع السائل إلى الخارج.

كيف يمكن للحيتان حبس أنفاسها لمدة تزيد عن ساعتين؟

دعونا نعود للحديث عن الحيتان. يمثل النيتروجين أكبر نسبة من الغازات الموجودة في الرئتين. لا يستخدم الجسم النيتروجين، ولكنه الغاز الرئيسي الموجود في الهواء الذي نتنفسه نحن (والحيتان). عندما يغوص الحوت، يتسبب الضغط المتزايد في الرئتين في زيادة كمية الغاز الذي يمتصه الدم وينقله إلى الأنسجة. تزداد كمية النيتروجين المذابة في الدم والأنسجة نظرًا لزيادة الضغط. وعندما يقوم الحوت بالزفير على سطح المياه، يتم التخلص من بعض من غاز النيتروجين الذي يُمتص أثناء الغوض، ولكن إذا لم يأخذ الحوت وقتًا كافيًا على السطح، وإذا لم يتنفس الحوت عدد مرات كافية، فلن يتم التخلص من كمية النيتروجين الزائدة كلها.

غالبًا ما تغوص الحيتان والثدييات البحرية الأخرى، التي تغوص للحصول على الطعام تحت الماء، في نوبات. النوبات عبارة عن الفترات التي تغوص فيها الحيتان بشكل متكرر، مع قضاء القليل من الوقت فقط على السطح قبل الغوص مرة أخرى. نعتقد أن الثدييات البحرية تغوص في نوبات للحصول على أكبر قدر ممكن من الطعام أثناء الغوص. فعلى سبيل المثال، إذا وجدت الحيتان سربًا كبيرًا من الأسماك، فإنها لا تريد قضاء الكثير من الوقت على السطح حتى لا يتمكن السرب من الفرار. لذلك تغوص مرة أخرى للنزول بسرعة لصيد المزيد من الأسماك. لذلك، لا تبقى على السطح إلا لفترة كافية لتجديد الأكسجين. ومع ذلك، قد لا يكون الوقت على السطح كافيًا للتخلص من كمية النيتروجين الموجودة بالدم كلها. بسبب ذلك، تزداد كمية النيتروجين ببطء من عملية غوص إلى الأخرى، وأحيانًا تزداد بما يكفي لتكوين فقاعات في الحيتان عند عودتها إلى السطح.

مع التطور التدريجي عبر ملايين السنين، طورت الحيتان استراتيجيات لتجنب تراكم النيتروجين بما يصل إلى مستويات خطيرة. على سبيل المثال، غالبًا ما تكون هناك فترات طويلة من الوقت بين نوبات الغوص عندما تبقى الحيتان بالقرب من السطح. قد تساعد هذه الفترات الطويلة على التخلص من النيتروجين الزائد الموجود في دم الحيتان، وتقليله إلى مستويات آمنة. تستخدم العديد من الثدييات البحرية استراتيجية أخرى وهي تقليل سرعة عودتها إلى السطح - حيث تتباطأ، عندما تكون على عمق يصل إلى حوالي مترًا. يعتقد العلماء أن التباطؤ يساعد على تقليل فرصة تكوين الفقاعات، مثلما يحدث عند فتح زجاجة المشروب الغازي ببطء بعد رجها، مقارنة بفتحها بسرعة.

توجد أيضًا استراتيجيات فسيولوجية للحد من خطر تكون الفقاعات. علم وظائف الأعضاء (الفسيولوجي) هو دراسة كيفية أداء جسم الحيوان لوظائفه، حيث يهتم بعض العلماء الذين يدرسون علم وظائف الأعضاء بكيفية مواجهة بعض الحيوانات للتحديات البيئية المختلفة. على سبيل المثال، ما الاستراتيجيات التي تسمح للحيوانات بالبقاء في المناخات شديدة الحرارة أو قارسة البرودة، أو ما الاختلافات بين آلية استخدام خياشيم الأسماك ورئتي الحيوانات الأخرى في تبادل الغازات؟ يهتم علماء وظائف الأعضاء الذين يدرسون الحيتان بكيفية تمكن تلك الحيوانات من حبس أنفاسها لمدة تزيد عن ساعتين، وكيف يمكنها الغوص عميقًا للغاية، على عمق 3 كم تقريبًا في المحيط، حيث يكون الضغط أعلى 300 مرة مما هو عليه على السطح.

كما يهتم علماء وظائف الأعضاء بفهم كيف تحد الحيتان من خطر تكوين الفقاعات، وقد اقترح هؤلاء العلماء أن الجهاز التنفسي الاستثنائي للحيتان مع امتلاكها لقفص صدري مرن للغاية وشعب هوائية علوية قوية قد يساعد في تقليل كمية النيتروجين التي تُمتص. عندما يغوص الحوت، يؤدي الضغط المتزايد إلى انضغاط الرئتين والقفص الصدري. يمتلك البشر قفصًا صدريًا يتحمل الضغط أثناء الغوص، لكن الثدييات البحرية التي تغوص تمتلك قفصًا صدريًا شديد المرونة، وعندما تغوص إلى الأعماق، تنهار الرئتان ببساطة مثل البالون الفارغ. من المحتمل أن يؤدي انهيار الرئة إلى قتل إنسان، ولكن يحدث ذلك في الحيتان عدة مرات كل يوم. عندما تنهار الرئتان، لا يوجد مزيد من الغازات التي يمكن أن تصل إلى الدم، وتسبب مشكلات عندما يعود الحوت إلى السطح. وأثناء الصعود، تنتفخ الرئتان حتى يتمكن الحوت من التنفس بشكل طبيعي عندما يصل إلى السطح.

بالإضافة إلى ذلك، طورت الحيتان حيلة أخرى تسمى استجابة الغوص. وهي موجودة لدى البشر أيضًا، وخاصة الأطفال، ولكن الحيتان تؤديها أفضل بكثير. واستجابة الغوص هي عبارة عن مجموعة من التغيرات القلبية الوعائية (وهو مصطلح علمي يجمع بين القلب والأوعية الدموية)، حيث ينخفض معدل ضربات القلب إلى بضع نبضات في الدقيقة. بينما يستمر تدفق بعض الدم إلى الأعضاء أثناء استجابة الغوص، مثل القلب والمخ اللذين لا يستطيعان العيش بدون الأكسجين. ولذلك عندما يغوص الحوت، يتحول إلى جهاز قلبي-دماغي، يتدفق فيه الدم إلى المخ والقلب بينما يتدفق القليل من الدم إلى الأعضاء الأخرى التي يمكن أن تعمل بشكل أفضل من غيرها دون الأكسجين، أو ينقطع عنها نهائيًا. وتساعد استجابة الغوص تلك على الحفاظ على الأكسجين الموجود أو توفيره وإطالة المدة التي يمكن للحوت أن يحبس فيها أنفاسه. كما تساعد استجابة الغوص أيضًا على تقليل كمية النيتروجين التي تمتصها الأنسجة الأخرى، وبالتالي تساعد على تقليل فرص تكوّن الفقاعات عندما يعود الحوت إلى السطح.

حياة معقدة في الظلام!

كما ترى تعيش الثدييات التي تغوص حياة صعبة. فهي ليست مضطرة فقط للعثور على الطعام تحت الماء في عالم بارد ومظلم، بل لديها أيضًا وقت محدود لإيجاد فريسة سريعة الحركة وصيدها. وإذا كان هناك القليل من الطعام المتاح، فيجب عليها الغوص أكثر للحصول على ما يكفي من الغذاء من أجل البقاء، مما يعني أن نوبات الغوص تكون أطول مما قد يزيد من كمية النيتروجين التي تذوب في الدم وبالتالي تُشكل خطر تكوّن الفقاعات. وهذا يعني أنه في بعض الأحيان يجب على الحيتان أن تتجاوز حدود ما يمكنها القيام به، ومن المحتمل أن بعض الاضطرابات التي يصنعها الإنسان يمكن أن تؤثر على التوازن الدقيق للحيتان، وأن هذه الاضطرابات تزيد من امتصاص النيتروجين أو تتسبب في صعود الحيتان إلى سطح الماء مما يؤدي إلى احتمالية أكبر لتكوّن الفقاعات. على سبيل المثال، يُستَخدم صوت من صنع الإنسان للبحث عن النفط والغاز المخبأ في قاع البحر. وتطلق ما تسمى بالبنادق الهوائية إشارة صوتية قوية تخترق قاع البحر وترتد من طبقات مختلفة من الصخور والرواسب. ويمكن استخدام الصدى المرتد لتوليد صور لقاع البحر. وهناك استخدام آخر للصوت وهو اكتشاف الأجسام في الماء، مثل أسراب الأسماك أو القوارب الغارقة أو الغواصات. فالكشف عن الغواصات أمر مهم للجيوش، لمنع هذه السفن من تنفيذ هجوم سري. وتسمى الأجهزة المستخدمة للكشف عن الغواصات بأجهزة السونار وقد تؤثر الضوضاء الصادرة عن السونار على سلوك الحيتان ووظائف أعضائها.

ولتقصي التأثير المحتمل للسونار على الحيتان، طورنا نموذجًا رياضيًا يستخدم سلوك غوص الحيتان لتقدير الخطر الذي تعاني منه الحيتان بسبب الفقاعات الغازية عندما تعود إلى السطح [4]. وتم توصيل جهاز إلكتروني بجلد الحوت بواسطة أكواب الشفط، وسجل جهاز التتبع هذا سلوك الحيتان إلى جانب ضغط الماء المحيط (الشكل 2). حيث يزداد الضغط مع زيادة عمق الماء. ويكون الضغط 1 ضغط جوي مطلق (ATA) عند السطح، وهو وحدة من وحدات عديدة لقياس الضغط. كما يزداد الضغط بمقدار 1 ATA لكل 10 أمتار من العمق، وبقياس الضغط أمكن باستخدام هذه الأدوات تسجيل العمق الذي كانت تغوص فيه الحيتان أثناء البحث عن الغذاء أو الصيد من أجل الحصول على الطعام. ولقد استخدمنا بيانات الضغط وذوبانية الغاز لتقدير كمية الغاز التي أذابتها الحيتان في الدم والأنسجة، وأعطتنا هذه التقديرات فكرة عن مدى احتمال أن تعاني الحيتان من الفقاعات الغازية [4, 5]. كما قارنا هذه القيم المقدرة للغاز المذاب بناءً على سلوك غوص الحيتان قبل التعرض للسونار وخلاله وبعده. ولقد تم اختيار مستويات السونار في هذه التجارب بعناية لتجنب الضرر المحتمل حدوثه للحيتان، ولكنها كانت عالية بما يكفي لمعرفة ما إذا كانت الحيتان قد استجابت من عدمه. على سبيل المثال، إذا اعتبرت الحيتان السونار خطرًا، فقد تسبح بسرعة بعيدًا، أو تتوقف عن الغوص وتعود إلى السطح قبل الانتهاء من الصيد، أو في بعض الحالات تغوص أعمق من المعتاد [6, 7].

واستعرض النموذج الكيفية التي قد تؤثر بها سلوكيات الحيتان هذه على فرص تكوّن الفقاعات. هذا ولقد استنتجنا أن الحيتان التي لا تغوص عادة في عمق كبير (مثل الحوت القاتل، الشكل 2A) من غير المحتمل أن يزيد خطر تكون فقاعات في أجسامها بسبب السونار، ولكن الحيتان التي تغوص في عمق كبير (مثل حوت العنبر والحوت ذو المنقار، الشكلان 2C، D) تكون أكثر عرضة لتكوين فقاعات أثناء التغيرات في السلوك التي يسببها التعرض لصوت السونار. أشارت النتائج أيضًا إلى أنه إذا زادت الحيتان من نشاطها البدني عندما تحاول تجنب السونار، فقد يزيد ذلك أيضًا من خطر تشكل الفقاعات (الشكل 3).

وفي دراستنا، نوضح كيف أن الضوضاء التي يصنعها الإنسان قد تغير من خطر تشكل الفقاعات في الحيتان التي تغوص في المياه الضحلة والعميقة. في حين أننا لا نفهم على الإطلاق كيف أن هذه الحيوانات العملاقة الرائعة قادرة على حبس أنفاسها والغوص في أعماق هائلة دون التعرض للمشكلات التي قد يواجهها الغواصون من البشر، حيث تشير نتائجنا إلى وجود عوامل معينة تزيد من خطر فقاعات الغاز بعد الغوص. وعلى سبيل المثال، قد تكون الحيوانات الأكبر حجمًا أو تلك التي تغوص أعمق في خطر أكبر من التعرض لفقاعات الغاز. وهذه النتائج مهمة لمساعدتنا في فهم الأنواع التي قد تكون أكثر عرضة لخطر تكوين فقاعات. فيمكن لتلك المعلومات أن تساعد الوكالات الحكومية التي تتحكم في مكان وكيفية استخدام الصوت في المحيط للبحث عن الغواصات أو للتنقيب عن النفط والغاز. ونتيجة لذلك، قد تكون النتائج التي نقدمها قادرة على المساعدة في الحد من الأذى اللاحق بالحيتان وتقليل تأثير الوجود البشري في المحيط. وما يزال هناك العديد من الألغاز التي يجب حلها حول حياة الثدييات البحرية والحيتان، وغالبًا ما ندرك أن ما نجهله أكثر مما نعلمه، وهو ما يحدث عادة في العمل البحثي.

مسرد للمصطلحات

نقص الأكسجة (Hypoxia): ↑ انخفاض مستويات التشبع بالأكسجين.

التكيف (Adaptation): ↑ التغييرات التي تطرأ على أنواع الكائنات الحية على المستوى الفسيولوجي أو التشريحي على مدى أجيال عديدة بسبب التغيرات الجينية والتي من شأنها أن تعزز من فرص بقاء هذا الكائن.

الجهاز الدوري (القلب والأوعية الدموية) Circulatory (cardio-vascular system): ↑ القلب والأوعية الدموية (الشرايين والأوردة).

علم وظائف الأعضاء (Physiology): ↑ هو دراسة كيفية أداء أعضاء الحيوانات لوظائفها.

الجهاز التنفسي (Respiratory System): ↑ الرئة والممرات الهوائية (القصبة الهوائية والشعب الهوائية والقصيبات).

نوبات الغوص (Dive bouts): ↑ سلسلة من الغوص المتكرر، تحدث غالبًا عندما يصطاد الحوت فريسة، يتخللها فاصل قصير من الصعود إلى سطح الماء.

ضغط جوي مطلق (ATA) (Atmosphere absolute): ↑ وحدة لقياس الضغط.

البحث عن الغذاء (Foraging): ↑ الصيد من أجل الحصول على لطعام.

ذوبانية الغاز (Gas solubility): ↑ كمية الغاز التي يمكن أن توجد في السائل.

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.