Yorum yapmak ve düşüncelerinizi paylaşmak için giriş yapmalısınız.
Henüz yorum yok
Bu makale için ilk yorumu siz yapın ve tartışmayı başlatın!
Bir çoğumuz denizin içinde konuşmayı denemişizdir. Keza benim ve arkadaşlarımın arasındaki en popüler oyunlardan biri şuydu: İki kişi kafasını suya sokar ve suyun içinde bir kelime söylerdi. Birbirimizin söylediklerini tahmin etmeye çalışırdık. Oyuncu kafasını ne kadar derine sokarsa sesini duymak o kadar zor olurdu. Oyunu kazanmak için kafamı en derine sokardım. İlginçtir ki balinalar iletişim kurmak veya avlanmak için ortalama 500-1000 metre derinliklere dalarlar. Biz henüz 30 cm derinlikte sesi zar zor duymaya çalışırken, balinalar yüzlerce metre derinlikte, onlarca kilometre uzaktaki arkadaşlarıyla iletişim kurabiliyor. Peki bunu nasıl yapıyorlar? Bu yazıda balinaların iletişim ağına, biraz evrim ve fizik katarak değineceğiz.
Denizde 200 metre derine inildiğinde karanlık başlar. 300 metreden sonra ise zifiri karanlık hakim olur. Ehhh, karanlıkta gözlere ne gerek var ki? Evrim de böyle düşünmüş olacak ki balinaların gözlerini küçülttü. Ataları karada gelişmiş gözlere sahipken balinaların gözleri basitleşti. Ama en leziz balıklar en derinlerdedir. Göremiyorsun, hem karanlık hem de gözlerin yetersiz; balıkların yerini nasıl bulursun?
Lisede sevdiğim eski bir arkadaşım vardı. Kendisinin "tavuk karası" adında bir göz rahatsızlığı vardı; yüzde 5 civarı görebiliyordu. Ama muhteşem bir kulağı vardı. Ona sesli şekilde okuduğumuz logaritma sorularını aklından şipşak yapar, kimin geldiğini sadece ayakkabı seslerinden anlardı. İşte balinalar da tam olarak bunu kullanıyor: Sesi. Gözlerin görmüyorsa çevreyi sesler yardımı ile anlamaya çalışırsın. Görme engelli kişiler bir odaya girdiğinde oda hakkındaki ilk izlenimi akustik ile ölçer. Ancak burada ufak bir biyolojik detayı aradan çıkaralım: Karanlıkta balıkların yerini yüksek frekanslı 'tıkırtılar' (ekolokasyon) çıkararak bulanlar yunuslar ve katil balinalar gibi dişli balinalardır. Bizim bu yazıda asıl odaklanacağımız konu ise, okyanusun babaları olan bıyıklı balinaların (örneğin mavi balinalar) avlanmak için değil, okyanuslar arası devasa bir sosyal ağ kurmak için kullandıkları o meşhur, düşük frekanslı iletişim ağıdır.
Peki şimdi en başa gidelim, en başa... Sene günümüzden yaklaşık 50 milyon yıl önce (Eosen dönemi). Lokasyonumuz Hindistan-Asya çarpışmasının yaşandığı ve Tethys Denizi'nin kıyıları olan günümüz Pakistan civarları. Canım ülkemiz o sıralar bu devasa Tethys Denizi'nin dibindeydi...
Sevgili balinamızın atası olan Pakicetus ise tam bu zamanda ortaya çıktı. Kendileri köpeğimsi, belki de bir su samuruna benziyordu. Ayakları ise çift toynaklıydı. İlginçtir, ayaklarında çift toynak olması onların su aygırları ve zürafalarla akrabalığını ispat eder. O koca balinaların kuzenleri aslında zürafalar. Bayramda beraber şeker toplamaya çıkıyorlardı acaba?
Pakicetus
Peki bilim insanları sokak köpeğine benzeyen Pakicetus'un balinaların atası olduğu sonucuna nasıl vardı? Memelilerin orta kulağını çevreleyen "Tympanic bulla" adı verilen kemiksel bir yapı vardır. Ama Pakicetus'un tympanic bullası diğerlerinden farklıydı. Kulak kemiğinin iç tarafında "involucrum" adı verilen çok kalın, yoğun ve mermersi bir kemik tabakası bulunuyordu. Bu aşırı kalınlaşmış kemik yapısı, yaşayan veya soyu tükenmiş başka hiçbir memelide yoktur. Biri hariç: Balinalar. Yoğunlaşmış kemik parçası, köpeğimsi bu canlının balinanın atası olduğunun net kanıtıdır.
Balinaların atasının karada yaşayan bir memeli olduğunu kavradığımıza göre devam edelim. Pakicetus, günümüz balinalarının aksine ses dalgalarını kullanıp karmaşık iletişim kurmazdı. Bildiğin düz köpek gibi havlıyor, belki de akrabaları olan su aygırları gibi böğürerek anlaşıyordu. Çünkü kulak yapısı hala dış kulak yoluna sahipti. Bu da onun karada, hava ortamında gayet iyi duyabildiğini gösterir. Su altında sesi duyabiliyordu ancak sesin yönünü tayin edemiyordu. Bu yüzden su altında sadece sığ sudaki titreşimleri algılamak için kulaklarını kullandığı düşünülüyor.
Bu bölüme kadar biyolojiye doyduk, şimdi işin asıl havalı kısmına geçelim. Pakicetus'u akışkanlar mekaniği ile inceleyelim. Balinaların eski atası biraz kıllıydı. Ama günümüz balinalarında kıl yoktur. Neden? İşte nedeni fizikte saklı. Cağnım fiziğim her şeyi açıklıyor mübarek.
Pakicetus, karadan suya geçen bir öncü ataydı ama fiziksel olarak suda beceriksizin tekiydi. Neden? Bunu anlamak için Reynolds Sayısı (Re) dediğimiz o beton yetmez formüle bakmamız gerek:
Re=μρ⋅v⋅L
Bu korkunç gözüken formül aslında bize; "Senin kütlen ve hızın (v⋅L), suyun yapışkanlığına (μ) galip gelebiliyor mu, gelmiyor mu?" sorusunun cevabını veriyor.
Su, havadan 1000 kat daha yoğundur. Pakicetus suya girdiğinde, bizim için hava neyse onun için su, zeytinyağında yüzmeye çalışmak gibiydi. Formülün Üstü (Güç): Pakicetus hızlı gitmeye çalışıyor (v artıyor). Formülün Altı (Direnç) su onu geri çekiyor (μ).
Pakicetus'un vücudu (tüyleri, kulakları, bacakları) suyun içinde hareket ederken arkasında türbülanslar, yani küçük su anaforları bırakıyordu. Bir fizikçi olarak biliyoruz ki; her anafor, canlının kaslarındaki enerjinin boşa gitmesi demektir. Eeee, sevgili evrim boşa giden, israf edilen enerjiyi sevmez. Ne yaptı peki? Tabii ki Pakicetus'un soyundan gelen balinaların derilerini kılsız, tüysüz, pürüzsüz yaptı(Sadece ağız çevrelerinde, sudaki avları hissetmek için bıraktıkları birkaç kedi bıyığı hariç). Sırf rahat yüzsünler diye kıllarını binlerce yıllık bir evrim ağdasıyla alan doğa bize neler yapmaz ki?
Suyun İçinde Ses Neden Farklıdır?
Yukarıda suyun havadan 1000 kat daha yoğun olduğuna değinmiştim. Aranızdaki parlak zekalar hemencecik; "Madem su bu kadar yoğun, o zaman ses dalgaları zor ilerler, hızı yavaşlar ve balinalar kilometrelerce uzaktan iletişim kuramazlar ki" diyebilir. İlk başta çok mantıklı geliyor, kabul ediyorum. Ancak sesin hızını belirleyen asıl şey sadece yoğunluk değil, sıkıştırılabilirliktir. Ses bir madde değil, mekanik bir enerjidir. Enerjinin aktarımı söz konusu olduğunda kurallar değişir.
Daha iyi anlamak için o iki değişkeni (K ve ρ) birbiriyle savaşan iki siyasi güç gibi düşünelim:
v=ρK
ρ- Atalet (Tembellik)
Liseden bildiğiniz üzere yoğunluk, birim hacimdeki madde miktarıdır. Parçacıklar ne kadar ağır ve yoğunsa, onları yerinden oynatmak (titreştirmek) o kadar fazla enerji ve zaman gerektirir. Fiziğin en temel kurallarından biri olan eylemsizlik (atalet) ağır kütlelerin düşmanıdır çünkü ağır kütleler hareket etmeye karşı direnç gösterir.
Formülde yoğunluk alt taraftadır (payda). Yani tek başına yoğunluğu artırırsanız, ses yavaşlar. (Evet bal tanem doğru duydun, eğer suyun esnekliği hava ile aynı olsaydı, çok yoğun olduğu için ses suyun içinde sürünerek ilerlerdi).
K- Hacimsel Esneklik Modülü (Sıkıştırılamazlık)
İşte sıkıntı yaratan dengeyi bozan ve suyun galip gelmesini sağlayan şey budur. Hacimsel esneklik modülü, bir maddenin "sıkıştırılmaya karşı gösterdiği direnç"tir.
Hava gaz formundadır, molekülleri arasında devasa boşluklar vardır. Havayı sıkıştırmak çok kolaydır (bir şırınganın ucunu kapatıp pistonu ittiğini düşün). Moleküller gevşek yaylarla birbirine bağlanmış gibidir.
Su ise sıvı formundadır ve molekülleri birbirine yapışıktır. Suyu sıkıştırmak neredeyse imkansızdır (içi su dolu bir şırınganın ucunu kapatıp ne kadar abanırsan aban piston milim kıpırdamaz). Anlatmak istediğim, K değeri ne kadar büyükse, bir parçacığa çarptığınızda o enerjiyi anında yanındakine iletir. Yaylanma payı yoktur. Bu yüzden K formülün üst kısmındadır (pay) ve ses hızını artırır.
Su, havadan yaklaşık 1000 kat daha yoğundur (ρ). Bu, sesi yavaşlatmaya çalışan bir özelliktir. Ancak suyun sıkıştırılamazlığı (K), havanınkinden yaklaşık 15.000 kat daha büyüktür! Matematiksel olarak bu büyük "yaylanmazlık" (K), artan kütle tembelliğini (ρ) ezici bir üstünlükle yener. Karekök içindeki oran devasa bir şekilde büyüdüğü için, ses suda havaya kıyasla yaklaşık 4.5 kat (saniyede 340 metre yerine 1500 metre) daha hızlı ilerler.
SOFAR Kanalı
Tamam, suyun sesi çok daha hızlı ve kayıpsız ilettiğini anladık. Ama yazının en başında balinaların 500 metre derinliklerde takıldığından bahsetmiştim hatırlıyor musunuz? Neden yüzeyde ya da en diplerde değil de tam bu derinlikler? Okyanusta sesin hızı her yerde aynı değildir. İki büyük değişken burada da çarpışır: Sıcaklık ve Basınç.
Yüzeyden aşağı indikçe su soğur. Termodinamik bize der ki; soğuk ortamda moleküllerin kinetik enerjisi düşer, haliyle ses yavaşlar. Ancak daha da derinlere indikçe bu sefer hidrostatik basınç inanılmaz derecede artmaya başlar. Basınç arttıkça suyun esneklik modülü değişir ve ses tekrar hızlanır.
Bu iki zıt etkinin birleştiği, sıcaklığın düşüşüyle basıncın artışının birbirini dengelediği derinlik yaklaşık 800-1000 metre arasıdır. Burada ses, okyanustaki en yavaş hızına ulaşır. Biz bu katmana SOFAR (Sound Fixing and Ranging) Kanalı diyoruz.
Peki sesin yavaş olması nasıl bir avantaj sağlar? Lisedeki optik dersinden Snell Yasası'nı hatırlayın (ışığın kırılması). Aynı yasa akustikte de geçerlidir: Ses dalgaları, her zaman daha yavaş ilerledikleri ortama doğru kırılırlar.
Balina bu SOFAR kanalının yakınında bir şarkı söylediklerinde, ses dalgaları yukarı (sıcak ve hızlı suya) veya aşağı (yüksek basınçlı ve hızlı suya) kaçamaz. Yukarı gitmeye kalkan dalga bükülüp geri kanala düşer, aşağı inmeye kalkan bükülüp yukarı çıkar. Tıpkı bir fiber optik kablonun içinde sekerek ilerleyen ışık gibi, ses bu kanala hapsolur. Yüzeye çıkıp enerjisini kaybetmez, dibe çarpıp sönümlenmez.
Silindirik Yayılım
Odadaki arkadaşınıza bağırdığınızda sesiniz küresel olarak her yöne yayılır. Hacim formülünü düşünün, enerjiniz mesafenin karesiyle (1/r2) azalır. Ters kare yasası acımasızdır; az ötede sesiniz sönüp gider.
Ama SOFAR kanalına hapsolan balinamızın sesi küresel değil, iki düzlem arasına sıkıştığı için silindirik (1/r) yayılır. Enerji kaybı mesafenin karesiyle değil, sadece kendisiyle orantılı düşer. Aradaki bu ufak matematiksel üs farkı, balinaların binlerce kilometre ötedeki arkadaşlarına sanki yan yanaymış gibi net seslenmesini sağlar. Üstelik devasa cüsseleriyle ürettikleri düşük frekanslı (büyük dalga boylu) sesler, okyanustaki engelleri saçılmaya uğramadan kolayca aşıp geçer (v=λ⋅f).
Empedans Uyumu
Peki havada bu kadar iyi duyan o ucube atamız Pakicetus suya girince ne oldu? Sesin havadan suya veya sudan havaya geçerken %99'unun yansıdığını biliyoruz (Akustik Empedans Uyuşmazlığı). Evrim bunu bildiği için, milyonlarca yıl içinde balinaların dış kulağını tamamen iptal etti.
Bunun yerine balinalar, alt çenelerindeki özel bir yağ kütlesini kullanarak sudaki ses titreşimlerini toplar ve doğrudan o mermersi, yoğun kemiğe, yani yazının başında bahsettiğimiz "involucrum"a iletir. Pakicetus'un o farklı kulak kemiği, bugün okyanusların en büyük akustik antenine dönüşmüştür.
İşte dostlar, bir dahaki sefere kafanızı suya sokup arkadaşınızla oynamaya çalıştığınızda, sadece 30 cm öteye giden sesinizin ardından okyanusun karanlık sularında sırf fizik, anatomi ve matematiğin mükemmel uyumu sayesinde kıtalararası konser veren balinaları hatırlayın. Bilim, bazen sadece dünyayı anlamak için değil, doğanın ne kadar muazzam bir mühendis olduğunu görmek için de vardır.
