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Saturday, May 15, 2021

कैसे पक्षियों बेहतर साँस लेते हैं? शोधकर्ताओं के लूप डिस्कवरी

गोलाकार चिकन

पक्षी के फेफड़े के लिए एक “गोलाकार चिकन” सन्निकटन दिखा रहा है कि कैसे साँस लेना (नीला तीर) और साँस छोड़ना (लाल) के दौरान आगे-पीछे हवा की गति लूप के चारों ओर एक तरफ़ा प्रवाह (बैंगनी) होती है। तंत्र फेफड़ों के नेटवर्क में जंक्शनों के पास और विशेष रूप से श्वास के चरणों के दौरान चिह्नित अंतर पर निर्भर करता है। क्रेडिट: एनवाईयू की एप्लाइड गणित प्रयोगशाला

नए निष्कर्ष प्रवाह इंजीनियरिंग को बढ़ाने की क्षमता प्रदान करते हैं।

पक्षी अपने फेफड़ों की संरचना के कारण मनुष्यों की तुलना में अधिक दक्षता के साथ सांस लेते हैं – हवा के प्रवाह की सुविधा देने वाले वायु प्रवाह जो एक दिशा में जाते हैं – शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रयोगशाला प्रयोगों और सिमुलेशन की एक श्रृंखला के माध्यम से पाया है।

यह निष्कर्ष 19 मार्च, 2021 को पत्रिका में प्रकाशित हुआ था शारीरिक समीक्षा पत्र

अध्ययन, शोधकर्ताओं द्वारा आयोजित किया गया न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय और यह न्यू जर्सी प्रौद्योगिकी संस्थान, भी तरल पदार्थ पंप करने के लिए होशियार तरीके और श्वसन वेंटिलेटर जैसे अनुप्रयोगों में नियंत्रण प्रवाह को इंगित करता है।

“हवा के विपरीत, हमारे फेफड़ों की शाखाओं में गहराई से प्रवाह होता है, जो आगे और पीछे सांस लेते हैं, जैसा कि हम साँस लेते हैं और साँस छोड़ते हैं, यहाँ तक कि पक्षी के फेफड़ों में भी प्रवाह एक ही दिशा में चलता है” NYU के कोर्टेंट इंस्टीट्यूट ऑफ मैथमेटिकल साइंसेज में और पेपर के वरिष्ठ लेखक। “यह उन्हें किसी भी जानवर की सबसे कठिन और ऊर्जावान रूप से महंगी गतिविधि करने की अनुमति देता है: वे उड़ सकते हैं, और वे पूरे महासागरों और पूरे महाद्वीपों में और माउंट एवरेस्ट की ऊँचाई पर ऐसा कर सकते हैं, जहां ऑक्सीजन बेहद पतली है।”


दो छोरों वाले नेटवर्क पर प्रयोग, दोलनों के नीचे का विषय जो सांस लेने की नकल करते हैं और ऊपरी तौर पर एकतरफा प्रवाह करते हैं। क्रेडिट: एनवाईयू की एप्लाइड गणित प्रयोगशाला

“कुंजी यह है कि बर्ड फेफड़े लूपेड वायुमार्ग से बने होते हैं – न केवल हमारे फेफड़ों की शाखाओं और पेड़ जैसी संरचना – और हमने पाया कि यह छोरों के चारों ओर एक तरफा या निर्देशित प्रवाह की ओर जाता है,” रिस्ट्रोफ कहते हैं। “यह हवा फेफड़ों की गहरी कमी को भी हवा देती है और ताजी हवा में लाती है।”

पक्षियों की सांस लेने की प्रणाली में हवा के प्रवाह का एक सदी पहले पता चला था। लेकिन जो एक रहस्य बना हुआ था वह इस कुशल श्वास प्रणाली के पीछे वायुगतिकी का स्पष्टीकरण था।

इसका पता लगाने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की जो NYU के एप्लाइड मैथेमेटिक्स लैब में पक्षियों की सांस लेने की नकल करते हैं।

प्रयोगों के लिए, उन्होंने पानी से भरे पाइपिंग का निर्माण किया – वायु प्रवाह को दोहराने के लिए – और पक्षियों के फेफड़ों की लूप जैसी संरचना की नकल करने के लिए पाइपिंग को झुका दिया – जिस तरह से फ्री-रे को ऑन-रैंप और ऑफ-रैंप द्वारा जोड़ा जाता है। शोधकर्ताओं ने पानी में माइक्रोप्रोटीन मिलाया, जिससे उन्हें पानी के प्रवाह की दिशा को ट्रैक करने की अनुमति मिली।

इन प्रयोगों से पता चला है कि श्वास द्वारा उत्पन्न आगे-पीछे गतियों को छोरों के चारों ओर एक तरफ़ा प्रवाह में बदल दिया गया था।


ऊपरी लूप में निर्देशित प्रवाह या संचलन दिखा सिमुलेशन में प्रवाह की गति। साभार: न्यू जर्सी इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी

एप्लाइड मैथेमेटिक्स लैब के निदेशक रिस्ट्रोफ बताते हैं, “यह सार है कि फेफड़ों के अंदर क्या होता है, लेकिन अब हम वास्तव में देख सकते हैं और माप सकते हैं – और इस तरह समझ सकते हैं – क्या चल रहा था” “जिस तरह से यह खेलता है वह यह है कि नेटवर्क में लूप होते हैं और इस तरह जंक्शन होते हैं, जो ‘रोड में कांटे’ की तरह थोड़े होते हैं, जहां प्रवाह के लिए एक विकल्प होता है कि कौन सा मार्ग लेना है।”

वैज्ञानिकों ने तब प्रयोगात्मक परिणामों को पुन: पेश करने और तंत्र को बेहतर ढंग से समझने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया।

एनजेआईटी के सहायक प्रोफेसर और सह-लेखक आनंद ओझा बताते हैं, “जड़ता एक साइड स्ट्रीट को बंद करने के बजाय प्रवाह को सीधा रखने का कारण बनती है, जो एक भंवर द्वारा बाधित होती है।” “यह छोरों के चारों ओर एक तरफ़ा प्रवाह और परिसंचरण के कारण समाप्त होता है क्योंकि जंक्शन नेटवर्क में कैसे झुका हुआ है।”

इन निष्कर्षों के लिए कई संभावित इंजीनियरिंग उपयोगों के लिए रिस्ट्रोफ़ अंक।

“निर्देशन, नियंत्रण, और तरल पदार्थ पंप करना कई अनुप्रयोगों में एक बहुत ही सामान्य लक्ष्य है, जिसमें स्वास्थ्य सेवा से लेकर रासायनिक प्रसंस्करण तक, सभी प्रकार की मशीनरी में ईंधन, स्नेहक और शीतलक प्रणाली शामिल हैं,” उन्होंने कहा। “इन सभी मामलों में, हमें विशिष्ट उद्देश्यों के लिए विशिष्ट दिशाओं में तरल पदार्थों को पंप करने की आवश्यकता है, और अब हमने पक्षियों से इसे पूरा करने के लिए पूरी तरह से नया तरीका सीखा है जो हमें उम्मीद है कि हमारी प्रौद्योगिकियों में उपयोग किया जा सकता है।”

संदर्भ: क्विन एम। न्गुयेन, आनंद यू। ओज़ा, जोआना अबाउज़ी, गुआनहुआ सन, स्टीफन चाइल्ड्रेस, क्रिस्टीना फ्रेडरिक और लीफ़ रिस्ट्रोफ द्वारा 19 मार्च 2021 को “लूपी नेटवर्क मॉडल्स ऑफ़ बर्ड लंग्स” में प्रवाह सुधार। शारीरिक समीक्षा पत्र
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.114501

पेपर के अन्य लेखक स्टीव चाइल्ड्रेस थे, जो कि कौरंट इंस्टीट्यूट में एक प्रोफेसर थे और एप्लाइड मैथमेटिक्स लैब के सह-निदेशक थे; Quynh गुयेन, एक NYU भौतिकी स्नातक छात्र; Joanna Abouezzi और Guanhua Sun, NYU अनुसंधान के समय से कम हो गई; और क्रिस्टीना फ्रेडरिक, NJIT में एक सहायक प्रोफेसर।

अनुसंधान को नेशनल साइंस फाउंडेशन (DMS-1720306, DMS-1646339, DMS-1847955) और सिमंस फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।

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