مفاهیم کلیدی: دما، انتقال دما، سازگاری، عایق‌بندی، بافت چربی
مشاهده علمی ۲۰۶
مقدمه:
آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید چگونه نهنگ‌ها و سایر پستانداران دریایی در آب سرد اقیانوس‌ها گرم می‌مانند؟ پستانداران خونگرم می‌توانند در این شرایط سرد زندگی کنند زیرا بدن آنها قادر به انطباق با شرایط دمایی است و این موضوع را مدیون چندین نسل انتخاب طبیعی هستند.
به بیان دیگر برای انتقال ویژگی‌ها از طریق ژن، پیشینیان پستانداران دریایی امروزی باید با چالش‌های سختی روبه‌رو می‌شدند تا بتوانند تولید مثل کنند و فرزندان آنها ژن‌هایی را دریافت می‌کردند که باعث بقای آنها می‌شد. این نوع تغییر ایجاد شده در موجودات با گذشت زمان سبب تکامل می‌شود. یک تغییر و سازگارسازی مربوط به پستانداران دریایی لایه‌ی چربی، لایه‌ای ضخیم و عایق از جنس چربی در زیر پوست است که سبب می‌شود گرمای بدن حفظ و سرمای محیط بیرون از بدن نگه داشته شود. آیا با استفاده از یک لایه چربی مشابه می‌توانید خود را گرم نگه دارید؟
پیش‌زمینه:
پستاندارانی که برای زندگی در آب‌های سرد تکامل یافته‌اند از جمله نهنگ، شیر دریایی و خرس‌های قطبی، معمولاً لایه‌ای از چربی زیر پوست خود دارند. این حیوانات چه در مناطق قطبی و چه در اعماق اقیانوس باشند، لایه‌ی چربی برای بقای‌شان ضروری است. در زمستان هوای قطب شمال به دمایی کمتر از منفی چهل درجه سانتیگراد و در زمان‌هایی به کمتر از منفی شصت درجه سانتیگراد می‌رسد. بسته به گونه‌ی جاندار، نهنگ‌ها می‌توانند تا عمق چهارصد تا پانصد متری اقیانوس شنا کنند و در این مکان دمای آب به کمتر از دوازده درجه سانتیگراد می‌رسد.
لایه‌ی چربی از سرد شدن پستانداران دریایی جلوگیری می‌کند. (حیوانات دریایی خون‌سرد مانند ماهی، کوسه یا خرچنگ نیازی به گرم ماندن ندارند و می‌توانند دمای بدن خود را به دمای محیط نزدیک کنند. به همین دلیل این حیوانات نیازی به لایه‌ی عایق ندارند.) لایه‌ی عایق مورد بحث یک لایه‌ی ضخیم از بافت چربی است. حیوانات غذای هضم شده‌ی اضافی خود را به صورت بافت چربی که دارای مولکول‌هایی به نام لیپید است ذخیره می‌کنند. بافت چربی هدایت حرارتی پایین دارد، به این معنا که حرارت را مانند مواد دیگر از جمله عضلات یا پوست به خوبی منتقل نمی‌کند. به این ترتیب، بدن حیوان عایق می‌شود.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو عدد کاسه آب سرد آب گرم چند قطعه یخ چرب‌مایه (روغن قنادی یا روغن شورتنینگ) دستمال کاغذی زمان‌سنج دماسنج یک همراه برای کمک در انجام آزمایش
آماده‌سازی:
به تعداد مساوی قطعه یخ در هر کاسه بریزید به طوری که کاسه‌ها خیلی پر نشوند. سپس به هر دو کاسه آب سرد اضافه کنید.
دمای آب هر دو کاسه را با دماسنج اندازه بگیرید. دمای این دو آب باید یکسان باشد. با کاهش دما (که به سرعت اتفاق می‌افتد) آب برای انجام تست آماده است.
روش کار:
انگشت اشاره‌ی یک دست خود را با لایه‌ای ضخیم از روغن قنادی بپوشانید، به طوری که تمام محدوده‌ای از انگشتتان که داخل آب خواهد رفت را در بر بگیرد. انگشت اشاره‌ی دست دیگرتان را تمیز نگه دارید.
از همراه خود بخواهید زمان‌سنج را آماده نگه دارد. حال انگشت اشاره‌ی هر کدام از دست‌هایتان را در یک کاسه حاوی آب یخ فرو کنید و از همراه خود بخواهید در همین لحظه زمان‌سنج را روشن کند. به محض اینکه سرمای داخل کاسه هر کدام از انگشتانتان را اذیت کرد، آن را از کاسه بیرون بیاورید. هر کدام از انگشتانتان را به چه مدت در کاسه نگه داشتید؟
صبر کنید تا دمای انگشتانتان به حالت طبیعی برگردد. اگر کمی از روغن قنادی روی انگشت اشاره‌تان پاک شده است آن را جایگزین کنید.
حال با کمک همراهتان آب سرد هر دو کاسه را در سینک خالی کنید و دو کاسه را با آب گرم پر کنید. (گرمای آب نباید به حدی زیاد باشد که به پوست دست آسیب نزند.)
با دماسنج دمای آب هر دو کاسه را اندازه بگیرید. دمای آنها باید یکسان باشد. به نظرتان نتیجه‌ی مشابهی در مورد آب گرم خواهید گرفت؟
از همراه خود بخواهید اندازه بگیرد که چه مدت می‌توانید انگشت‌های اشاره‌تان را در کاسه‌های آب گرم نگه دارید. تفاوت میان زمان نگه داشتن دو انگشت اشاره‌تان در آب گرم در مقایسه با آب سرد چگونه است؟
آزمایش تکمیلی:
برای اطمینان از نتایج می‌توانید این آزمایش را دو یا سه مرتبه تکرار کنید و هر بار دمای آب مورد آزمایش و زمان نگه داشتن هر انگشت در کاسه‌ها را یادداشت کنید. در انتها نموداری از نتایج خود رسم کنید. در کدام شرایط دمایی استفاده از روغن قنادی مفید است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
هنگامی که انگشتان خود را در آب یخ فرو می‌کنید، آیا انگشت پوشیده شده با روغن قنادی مدت زمان بیشتری در مقایسه با انگشت دیگرتان گرم باقی می‌ماند؟ آیا در مورد آب گرم تفاوت زمان نگه داشتن انگشتان در آب بسیار زیاد نیست؟
پستاندارانی که با شرایط زندگی در سرما سازگار شده‌اند، مانند خرس قطبی و نهنگ، به دلیل داشتن لایه‌ی چربی زیر پوست خود گرم باقی می‌مانند. لایه‌ی چربی به طور یکنواخت در سطح بدن حیوان گسترده شده است، درست مانند روغن قنادی که انگشت اشاره‌ی شما را در این فعالیت پوشانده است. از آنجا که بافت چربی هدایت حرارتی پایینی دارد، حرارت را به خوبی منتقل نمی‌کند.
انسان‌ها موادی عایق برای استفاده در زندگی روزمره تدارک دیده‌اند مانند استایروفوم که ماده‌ای با رسانایی حرارتی پایین است. به همین دلیل نوشیدنی‌های گرم اغلب در استایروفوم سرو می‌شوند، زیرا حرارت نوشیدنی داخل لیوان حفظ می‌شود و دست شما هنگام گرفتن لیوان نمی‌سوزد. (به دلیل مشابه این لیوان‌ها نوشیدنی‌های سرد را نیز به مدت بیشتری خنک نگه می‌دارند.) به نظرتان چه مواد دیگری به عنوان عایق عمل می‌کنند؟
منبع:
منابع مفید: