Uçuş tüylerinin sırları ortaya çıkıyor…

TR724 BİLİM | BETÜL GÜL

Bir kuğu yavrusunun pofuduk tüylerinden kral cennet kuşunun kuyruğundaki gül benzeri tüylere kadar çok çeşitli kuş tüyleri var. Bilim insanlarının en çok ilgisini çeken ise kuşların uçuş tüyleri. Uçuş tüylerinin uca doğru incelen, uzun ve dar bir koniye benzeyen sapında çok sayıda karşılıklı ince tüy bulunuyor. Bu tüylerin her birinden de karşılıklı tüycükler, diğer adıyla barbüller çıkıyor. Gözle görülmeyen barbüller, minik kancalarla birbirlerine bağlanmış durumda. Bu şekilde hem çok hafif, hem çok dayanıklı ve esnek aerodinamik yüzeyler oluşuyor! (Kuşları soğuktan koruyan kabarık tüylerin barbülleri ise, daha uzun ve kancalarla birbirlerine bağlı değil. Uzun, karışık barbüller kuşlara harika bir ısı yalıtımı sağlıyor.)

Kuş tüylerinin genel yapısını detaylı olarak inceleyen California Üniversitesi’nden malzeme bilimci Dr. Tarah Sullivan, mikroskop altında barbülleri ilk gördüğünde tasarımlarına hayran kaldığını belirtiyor ve sözlerinin devamında, “çok sayıda kuş türünün tüylerini incelerken, kuşların boyutlarındaki muazzam farklılıklara rağmen barbüller arasındaki mesafenin sabit olduğunu görmek şaşırtıcıydı.” diyor. 

Taramalı elektron mikroskobu ile kuş tüylerini inceleyen Güney Afrika’nın Nelson Mandela Metropolitan Üniversitesi’nden malzeme bilimci Prof. Theagarten Lingham-Soliar, önde gelen akademik dergi Nature’da yayımlanan makalesinde, tüylerin uçuş sırasında olağanüstü aerodinamik kuvvetlere maruz kaldığını belirtiyor. Lingham-Soliar, kuş uçuşuna dair belki de en çok ilgi çeken sorulardan birinin, uçuş stresleri karşısında tüy sapının yarılmasının veya çatlamasının nasıl önlendiği sorusu olduğunu dile getiriyor. Bilim insanı makalesinde, araştırmasının sonuçlarının tüy sapının dış kısmındaki yarık ve çatlakların oluşmasını önleyen özgün mikroyapısal mimariyi açıkça ortaya koyduğunu ifade ediyor. 

İngiltere’nin Southampton Üniversitesi’nden araştırmacıların, 2014’de Journal of the Royal Society Interface’de yayımlanan araştırmaları da, tüy sapının dış kısmının (korteksin) tüyün eğilip bükülmesine izin veren, bir başka deyişle esnek olmasını sağlayan çok katmanlı, lifli kompozit malzemeden yapıldığını gösterdi. İç kısmın yapısı ise çok farklı, köpük gibi. Almanya’nın Kiel Üniversitesi’nden Dr. Alexander Kovalev ve meslektaşları, Aralık 2021’de The Science of Nature adlı akademik dergide yayımlanan makalelerinde, “korteksin içindeki köpüklerin, enerji emilimi yoluyla mekanik stabiliteyi arttırmaya yönelik bir tasarım stratejisi olduğu bilinmektedir.” diyor. Şunu da belirtelim, kuşlar tüm yaşamları boyunca aynı tüylerle kalmıyor; periyodik tüy dökümüyle hasarlı veya yıpranmış tüyler değiştiriliyor. (En yaygın tüy dökme şekli, tüylerin simetrik olarak aynı anda her iki kanattan da kaybolduğu sıralı tüy dökümü.)

Atmaca tüylerindeki barbülleri detaylı olarak inceleyen bilim insanları çok ilginç sonuçlar elde etti. Araştırma sonuçlarını 2018’de PNAS’da yayımlayan Çin Bilimler Akademisi’nden Prof. Shutao Wang ve meslektaşları, uçuş tüylerinin kuvvetli rüzgar gibi durumlarda yırtılmasını önleyen kademeli sürgülü kilit sistemi tespit etti! Kuşların uçuş tüylerinde iki türlü barbül var: Kancalı barbüller ve bu kancaların takılı olduğu, kavisli kenarları olan ray benzeri barbüller. Rayların uçlarında demiryolu hatlarının sonlarındaki durdurma tamponları gibi yapılar var. Wang ve ekibi deneylerinde tüylere uyguladıkları kuvveti artırdığında, kancalar barbüllerin kavisli kenarları boyunca ileri geri kaydı. Kuvveti daha da artırdıklarında, dişlere benzeyen ve kancaların şekli ve boyutlarıyla birebir uyumlu olan tamponlar kancalara kenetlenip raydan çıkmalarını önledi. Hepsi bu kadar da değil. Tüylere uygulanan kuvveti artırmaya devam ettiklerinde, barbüller boylarının üç katına kadar esnedi ve ayrıldıklarında da hasarsız ayrıldılar. 

Güçlü türbülans, ya da dallara takılma gibi bir durumda kancalar yerlerinden çıksa bile, kuşların gagalarıyla tüylerini sıvazlayıp düzeltmesiyle kolayca yerlerine takılıyorlar. Beijing’de bulunan Tsinghua Üniversitesi’nden Doç. Dr. Jing-shan Zhao ve meslektaşları, 2020 yılında Materials & Design adlı akademik dergide yayımlanan makalelerinde, kuşların kanatlarını sallayarak veya gagalarıyla tüylerini düzelterek tüy yüzeylerini kolayca eski durumlarına getirebildiklerini tespit ettiklerini belirtiyorlar. Bilim insanları, bunun sebebinin tüy sapındaki karşılıklı tüylerin ve barbüllerin basamaklı geometrileri olduğunu ifade ediyor.

Tüy sapı, barbüller, kancalar, raylar, durdurma tamponları… hepsi kuşların uçmasını sağlayan çok dayanıklı ve çok hafif uçuş tüylerinin önemli parçaları. Amerika’nın ünlü Yale Üniversitesi’nden kuş bilimci Prof. Richard O. Prum ve Connecticut Üniversitesi’nden Prof. Alan H. Brush, Scientific American dergisi için kaleme aldıkları bir makalede, uçuş tüylerindeki barbüllerin birbirlerine kenetlenmiş olmasının kuşların uçabilmesi için şart olduğunu dile getiriyorlar. Zhao ve meslektaşları da, daha önce söz ettiğimiz makalelerinde, barbülleri ayrılmış tüyün kuş tarafından hemen düzeltilmemesi halinde kuşun ağırlığını taşıyamayacağını belirtiyor! Bu da, barbülleri bir arada tutan mekanizmanın tüm parçalarının kuşların uçabilmesi için ne kadar gerekli olduğunu gösteriyor. 

Uçmak için tüyler de yeterli değil tabii… Kuşların kanatlarındaki uçuş tüyleri güçlü bağ dokularla kanat kemiklerine sıkıca bağlı. (Kanatların uç kısmındaki ana uçuş tüyleri kontrol edilebiliyor, tek tek döndürülebiliyor!) Kanatlardaki daha kısa, kiremit gibi sıralanmış tüyler kanat profilini (airfoil) oluşturuyor. Kompleks bir solunum sistemi, uçuş için fazla enerjiye ihtiyacı olan bu hayvanlara gerekli oksijeni sağlıyor. (Kuş nefes aldığında hava arka taraftaki hava keselerine doluyor. Daha sonra akciğere, ardından da ön keselere geçiyor ve vücuttan çıkıyor. Hava sürekli tek yönlü olarak akciğerlerden geçerken, akciğer damarlarındaki kan da zıt yönde akıyor.) Kuşların bazı kemiklerinin içleri boş ve direk gibi yapılarla içten destekleniyor.  Kanatlar çok güçlü göğüs kasları tarafından hareket ettiriliyor.

Tüm bu özellikler kuşlarda nasıl bir araya geldi? Amerika’nın South Carolina Üniversitesi’nden Doç. Dr. Matthew Greenwold ve Dr. Anthony Davis, Mayıs 2021’de MDPI Genes adlı akademik dergide yayımlanan makalelerinde, “tüy gelişimi çok sayıda farklı genetik ve protein unsuru içeren karmaşık bir süreç.” diyor. Sadece tüylerin oluşması bile, embriyo gelişimi sırasında doğru zamanda, doğru yerde ifade edilen bir dizi farklı geni gerektiriyor!

“… Çünkü her şeyin varlığını kuşatan sayısız imkân ve ihtimal içinde meyvesiz, neticesiz yollarda karışık, değişmez, sel gibi ölçüsüz akan cansız unsurlardan o canlıya gayet hassas bir ölçüyle, nazik bir tartıyla, gayet ince ve nazenin bir düzenle verilen ölçülü şekil ve muntazam hüviyet, zorunlu olarak ve açıkça, hatta gözle görülür gibi, onun küllî bir iradenin eseri olduğunu gösterir.

Çünkü sayısız vaziyet içinden birini seçmek; bir ayırma, bir tercih, bir kasıt ve irade ile olur…” (Kısmen sadeleştirilmiş Mektubat, 20. mektup)