مارها چگونه هنگام فشردن و خفه کردن طعمه نفس می‌کشند؟

نحوه شکار طعمه و خوردن آن در مار بوآی کانستریکتور شگفت‌آور است. این مار ابتدا با دندان‌هایش به طعمه ضربه می‌زند و آن را نگه می‌دارد، سپس بدن خود را محکم دور آن طعمه می‌پیچاند و با فشردن طعمه جان او را می‌گیرد. مار بوآ جریان خونی را که به قلب و مغز طعمه می‌رود، قطع می‌کند، سپس آرواره خود را باز می‌کند و طعمه را به‌طور کامل می‌بلعد. بوآ از ماهیچه‌های خود استفاده می‌کند تا طعمه را به سمت معده حرکت دهد و در آنجا، این موجود بدشانس طی چهار تا شش روز آینده هضم می‌شود.

مار بوآی کانستریکتور عمدتاً جوندگان، مارمولک‌ها و پرندگان با اندازه‌ی متوسط را می‌خورد، اما دیده شده است که گاهی‌اوقات طعمه‌های بزرگ‌تری مانند میمون‌ها، خوک‌های وحشی و پلنگچه‌ها را نیز می‌خورد؛ اما صرف‌نظر از نوع غذا، مارها وقتی دارند حیوانی را تا حد مرگ له می‌کنند، چگونه می‌توانند نفس بکشند؟ زیرا درنتیجه‌ی این انقباض شدید، دنده‌های خود بوآ نیز فشرده می‌شود.

مارهای بوآ برخلاف پستانداران (ازجمله انسان‌ها) دیافراگم جداگانه‌ای ندارند. آن‌ها برای تنفس بر حرکت دنده‌های خود متکی هستند. زیست‌شناسان دانشگاه براون و کالج دیکنسون آزمایش‌هایی را برای کسب دانش بیشتر در این زمینه انجام دادند و نتایج آزمایش‌های خود را در مجله‌ی Journal of Experimental Biology منتشر کردند.

پژوهشگران کشف کردند که مارهای بوآی کانستریکتور توانایی درخورتوجهی در استفاده انتخابی از بخش‌های مختلف قفسه سینه خود، برای تنفس حین انقباض دارند. هر زمان که دنده‌های نزدیک به سر بسته می‌شوند، ریه اساساً به‌عنوان دَمی برای کشیدن هوا عمل می‌کند، به‌طوری‌که مار همچنان می‌تواند نفس بکشد.

پژوهشگران از تکنیک‌های مختلفی برای مطالعه خود استفاده کردند تا داده‌هایی را درمورد جریان هوا، فعالیت عضله و حرکت دنده‌ها درون بدن مارها جمع‌آوری کنند. همه مارهای مورد استفاده در آزمایش‌ها به‌جز یک مورد در اسارت به دنیا آمده بودند و از مارهای بوآیی که از بِلیز گرفته شده بودند، حاصل شده بودند. مار دیگر از فردی خریداری شده بود که خزندگان را پرورش می‌داد.

جان کاپانو، نویسنده همکار مطالعه از دانشگاه براون با استفاده از تکنیکی به نام XROMM فیلم‌های اشعه ایکس مارها را تهیه کرد. او همچنین سی‌تی‌اسکن مارها را گرفت و از این داده‌ها برای بازسازی حرکت دنده‌ها و مهره‌ها در قالب مدل کامپیوتری استفاده کرد.

کاپانو ابتدا نشانگرهای فلزی ریزی را به دو دنده سه مار بوآی ماده متصل کرد. یکی از نشانگرها در حدود یک سوم طول بدن و دیگری در میانه‌ی بدن قرار داده شد. او سپس، کاف‌ (بازوبند) دستگاه اندازه‌گیری فشار خون را در دو نقطه روی دنده‌ها قرار داد و به‌منظور بی‌حرکت کردن مار فشار را به‌تدریج زیاد کرد. این کار اساساً شبیه‌سازی چیزی بود که وقتی مارها طعمه‌های خود را له می‌کنند، اتفاق می‌افتد.

به‌نظر نمی‌رسید برخی مارها به کاف اهمیتی بدهند، درحالی‌که برخی دیگر صدای هیس درمی‌آوردند. پاسخ دوم برای آزمایش‌ها ایدئال بود، زیرا مارها برای تولید این صدا باید ریه‌های خود را از هوا پر کنند. بنابراین، مارهایی که صدای هیس ایجاد می‌کردند، بزرگ‌ترین نفس‌ها را تولید می‌کردند که کاپانو می‌توانست اندازه‌گیری کند.

پژوهشگران از پنوموتاکوگرافی (که اغلب برای مطالعه آپنه خواب و اختلالات مرتبط در انسان‌ها استفاده می‌شود) برای نظارت بر پنج مار بوآ استفاده کردند و ماسک‌های سبک کوچکی از جنس بطری پلاستیکی را برای مارها ساختند. نفس‌ مارها از لوله پی‌وی‌سی حاوی توری فلزی نازک عبور می‌کرد تا مقداری مقاومت دربرابر جریان هوا ایجاد کند و پژوهشگران بتوانند نرخ جریان را به دست آورند.

نویسندگان اذعان کردند که نتایج متناقض بود، بیشتر به این علت که مارها به‌طور مداوم ماسک‌های خود را جدا می‌کردند. اگرچه داده‌های قابل اعتمادی درمورد تغییرات فشار و تغییرات حجم حین دم و بازدم مارها حاصل شد و زیست‌شناسان توانستند در چندین مورد آن داده‌ها را به صورت بصری در ویدئوهای اشعه ایکس تأیید کنند.

اسکات بوباک و چارلز زومر، نویسندگان همکار کاپانو در کالج دیکنسون، به بررسی این موضوع پرداختند که آیا مارها می‌توانند عضلات خود را در قالب الگوهای خاصی فعال کنند. این کار با ثبت سیگنال‌های عصبی عضلات کنترل‌کننده دنده هنگامی که مارها تحت فشار قرار داشتند و با استفاده از تکنیکی به نام الکترومیوگرافی انجام شد. بوباک فعالیت عصبی عضلات ماری را حین خوردن غذا ثبت کرد، اما سیگنال عصبی را در عضله منقبض‌شده پیدا نکرد. در عوض، مار مجموعه متفاوتی از دنده‌ها را در طول بدن فعال می‌کرد تا بتواند نفس بکشد.

وقتی به کافی که در یک‌سوم طول بدن قرار داشت، فشار اعمال می‌شد، مارها با فعال کردن دنده‌های عقب‌تر به تنفس خود ادامه می‌دادند. آن‌ها دنده‌های انتهایی را به عقب می‌چرخاندند و برای اینکه هوا را وارد ریه خود کنند، آن‌ها را به سمت بالا حرکت می‌دادند. زمانی که فشار به قسمت پایین بدن اعمال می‌شد، مارها دنده‌های نزدیک‌تر به سر را فعال می‌کردند تا نفس بکشند.

نویسندگان براساس یافته‌های خود می‌گویند توانایی فشردن یا خوردن طعمه‌های بزرگ در صورتی وجود دارد که مارها ابتدا توانایی تأمین هزینه‌های متابولیکی بالا و تنظیم تنفس حین انجام این کار را به دست آورده باشند. بنابراین، ویژگی تهویه مدولار ریه احتمالاً با دو ویژگی دیگر تکامل پیدا کرده است. توانایی فعال کردن انتخابی بخش‌های مختلف دنده‌ها به‌منظور تنفس حین خوردن طعمه بزرگ به حفظ انرژی نیز کمک می‌کند. کاپانو و همکارانش نتیجه می‌گیرند:

بدون چنین مکانیسمی، مارهای اولیه قادر به غلبه بر محدودیت‌های مکانیکی و فیزیولوژیکی رفتارهای بعدی نبوده‌اند. این برهم‌کنش بین خصوصیات مختلف، مارهای اولیه را قادر ساخته است طعمه‌های مختلفی را از پای درآورند و آن‌ها را بخورند و نقش‌های اکولوژیکی خود را فراتر از نقش‌های مهره‌داران طویل دیگر گسترش دهند و تنوع زیادی به دست آورند.