“ขนนก” สุดยอดสิ่งประดิษฐ์จากการวิวัฒนาการของไดโนเสาร์

นกที่บินอยู่บนท้องฟ้าในวันนี้มีจุดเริ่มต้นมาจากไดโนเสาร์ที่มีปีกและขน ขนนกมีวิวัฒนาการมาหลายสิบล้านปีจนปัจจุบันเป็นอีกหนึ่งสิ่งประดิษฐ์ที่แม้แต่ทุกวันนี้มนุษย์ก็ยังไม่สามารถเลียนแบบเทคโนโลยีของปีกให้มีประสิทธิภาพในการบินเทียบเท่ากับการบินของนกได้ อะไรคือความลับข้างในปีกและขนของพวกมัน

สิ่งมีชีวิตแรกที่บินได้บนโลกของเรานั้นไม่ใช่นก แต่คือแมลง เราเชื่อว่าแมลงเริ่มที่จะบินขึ้นสู่ท้องฟ้าได้ในช่วง 350-300 ล้านปีก่อน ซึ่งเป็นช่วงยุคที่เราเรียกว่าคาร์บอนิเฟอรัส (Carboniferous) ส่วนนกมีการปรากฏตัวครั้งแรกในช่วงปลายยุคจูแรสซิกหรือประมาณ 150 ล้านปีก่อน ซึ่งหนึ่งในหลักฐานทางบรรพชีวินคือการพบฟอสซิลของ Archaeopteryx ไดโนเสาร์ที่มีรูปร่างคล้ายกับนก ในช่วงทศวรรษที่ 1970

ภายหลังจากการค้นพบซากฟอสซิลของ Archaeopteryx นักบรรพชีวินวิทยาต่างลงความเห็นว่านกในปัจจุบันกับไดโนเสาร์สายพันธุ์ดังกล่าวน่าจะมีบรรพบุรุษร่วมกัน นอกจากนี้ หนึ่งในสิ่งสำคัญนอกจากการพบฟอสซิลของสัตว์ดึกดำบรรพ์ต่าง ๆ ที่น่าจะมีบรรพบุรุษร่วมกันกับนกแล้ว ยังมีการค้นพบหลักฐานสำคัญอีกหนึ่งสิ่ง นั่นคือ ขนของไดโนเสาร์

นักวิชาการต่างถกเถียงกันมานานแล้วว่าขนบนตัวไดโนเสาร์มีหน้าที่อะไร ในไดโนเสาร์กลุ่มเทอโรพ็อด (Theropod) ขนาดเล็กอย่าง Compsognathus ที่มีชีวิตอยู่เมื่อ 150 ล้านปีก่อนก็มีขนปกคลุมร่างกายแล้ว ถึงแม้ว่าจะมีไว้เพื่อรักษาอุณหภูมิร่างกาย แต่ในไดโนเสาร์ชนิดอื่น ๆ ในกลุ่มของเทอโรพ็อดก็พบกับขนที่มีลักษณะคล้ายกับนกในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในไดโนเสาร์ยุคครีเทเชียส (Cretaceous) อย่าง Deinonychus ทำให้เกิดข้อสงสัยว่าเหตุใดในไดโนเสาร์กินเนื้อที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่จึงมีขนที่ขาหน้าของพวกมันจนดูเหมือนคล้ายปีกนก

ส่วนลักษณะขนของ Archaeopteryx นั้นนักบรรพชีวินพบว่าขนขาหน้าของมันไม่สมมาตรกัน ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับนกในปัจจุบันที่มีไว้เพื่อการบิน นี่คือสิ่งที่ทำให้นักบรรพชีวินเชื่อว่า Archaeopteryx น่าจะบินหรือร่อนอยู่ในอากาศได้ และสัตว์ที่อยู่ในตระกูลเดียวกันกับ Archaeopteryx ก็มีวิวัฒนาการไปในทิศทางเดียวกัน และมีลักษณะลู่เข้าสู่รูปร่างของนกในปัจจุบัน กล่าวคือการที่กระดูกจำนวนมากเชื่อมติดกัน หลอมรวมเป็นกระดูกชิ้นเดียว ผนังกระดูกบางลง ขนในส่วนต่าง ๆ ยาวขึ้น การมีขนที่ไม่สมมาตรกันตามลำตัว และการที่กระดูกหางหดสั้นลงจนเหมือนเป็นแค่ตอขนาดเล็กเหมือนนกในปัจจุบัน ซึ่งนี่คือสิ่งที่ทำให้เราเชื่อกันว่านกมีวิวัฒนาการต่อมาจากไดโนเสาร์

แล้วขนนกที่มีลักษณะไม่สมมาตรนี้ถูกจัดว่าเป็นสุดยอดสิ่งประดิษฐ์ทางวิวัฒนาการได้อย่างไร นกในปัจจุบันมีขนหลายชุด และแต่ละชุดมีหน้าที่แตกต่างกันตามส่วนต่าง ๆ ของปีกและบนร่างกาย ขนนกที่ไม่สมมาตรช่วยทำให้การบินของนกมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมหาศาล ขนด้านหนึ่งจากกึ่งกลางมีความยาวมากกว่าอีกด้านหนึ่ง ทำหน้าที่เหมือนกับใบพัด ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของความกดอากาศทางด้านหน้าและด้านหลัง เมื่อมองจากด้านบนแล้วเราจะเห็นว่าขนของนกที่ไม่สมมาตรนี้มีลักษณะเหมือนกับปีกเครื่องบิน ซึ่งทำให้เกิดแรงยก อีกทั้งการออกแรงเพื่อบินของนกนั้นคือการกระพือปีก ความไม่สมมาตรจะทำให้เกิดการบิดที่เป็นเหมือนแรงส่งตัวผลักนกไปด้านหน้า

การที่ขนของนกมีลักษณะแบบไม่สมมาตรและมีการกระจายตัวในชุดขนต่าง ๆ ทำให้นกสามารถจัดการกับกระแสลมวนด้านหลังปีกจากการออกบินได้อย่างน่ามหัศจรรย์ กระแสลมวนที่เกิดจากปีกของนกนั้นน้อยกว่าปีกของเครื่องบิน จึงให้นกสามารถบินได้โดยใช้พลังงานที่น้อยลง ซึ่งนี่เป็นจุดเด่นของการมีขนไม่สมมาตรบนปีกของนก

ในปี 2020 มีการตีพิมพ์งานวิจัยฉบับหนึ่งเกี่ยวกับหุ่นยนต์ที่เลียนแบบการบินของนก มันมีชื่อว่า PigeonBots ซึ่งมีการติดขนจริง ๆ ของนกเข้าไปที่ปีกเพื่อทดลองดูประสิทธิภาพการบินของหุ่นยนต์โดยใช้ขนของนกเข้ามาช่วย

นักวิจัยได้กล่าวว่าการที่ติดขนนกเพียงแค่ 40 เส้นก็ทำให้การบินของหุ่นยนต์นั้นเปลี่ยนไปอย่างเห็นได้ชัด ถึงแม้ว่าหุ่นยนต์ตัวนี้จะเป็นหุ่นยนต์ที่มีแรงขับดันและการทรงตัวหลักมาจากใบพัดหมุนด้านหน้าและแพนหางด้านหลัง แต่ว่าหุ่นยนต์ตัวนี้สามารถใช้ความสามารถจากการขยับองศาปีกทำให้ตัวของมันนั้นหมุนลำตัวซ้ายขวาได้อย่างง่ายดายและมั่นคง ตามปกติ สำหรับการบินแบบทั่วไปของเครื่องบิน การที่เครื่องบินจะหมุนตัวได้นั้นต้องตั้งตัวให้ตรงก่อนที่จะหมุนตัวได้อย่างมั่นคง แต่สำหรับหุ่นยนต์ตัวนี้เพียงแค่มีการติดตั้งขนนกเข้าไป มันกลับสามารถควบคุมการหมุนตัวได้อย่างต่อเนื่องอีกทั้งยังมั่นคงเป็นอย่างมากซึ่งเป็นผลจากการที่ความไม่สมมาตรของขนช่วยให้บินและควบคุมทิศทางง่ายขึ้น สิ่งนี้ทำให้นกสามารถบินในช่วงเวลาที่กระแสอากาศปั่นป่วนได้โดยที่ตัวพวกมันยังสามารถควบคุมทิศทางการบินของพวกมันได้อยู่

แม้ว่าการทดลองเรื่องการบินกับปีกของนกนั้นจะยังจำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม แต่ว่าสำหรับงานด้านวิศวกรรมการบินนั้น การใช้แรงบันดาลใจจากสิ่งรอบตัวเช่นขนนกก็ทำให้เกิดการเรียนรู้ใหม่ ๆ มากมาย และขนของนกก็นับว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เกิดจากการคัดเลือกทางธรรมชาติที่รังสรรค์สร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ช่วยในการบินได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างที่ไม่ต้องสงสัย
.
เรียบเรียงโดย : จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร : ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS  

ที่มาข้อมูล : berkeley, spectrum.ieee, science

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech