Мешканці моря діляться досвідом з конструкторами
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Можливо, що ідею колеса підказав людині круглий камінь, що скотився з гори. Безсумнівно, що людина побудувала літак, наслідуючи літаючим в піднебессі птахам… Природа багато підказала інженерам. І ще більше може підказати зараз, коли незмірно зросли можливості техніки і разом з тим ширше і глибше розгорнули свої дослідження біологи. Не випадково саме в останні роки на стику біології і техніки народилася нова галузь знань – біоніка. Стаття біологів В. Бельковича і А. Яблокова розповідає про деякі цікаві і маловивчені особливості будови організму морських ссавців: тюленів, китів і дельфінів. У ряді випадків автори пропонують власні гіпотези, що пояснюють дію або призначення того чи іншого «механізму» тварини. Може бути інженери запропонують інше пояснення тих же явищ! А може бути, вони запозичать у тварин принцип вирішення деяких «інженерних» завдань і перенесуть їх у свої конструкції.
Здатність деяких китів випускати ультразвуки високої частоти – до 150 тисяч герц – відома вже багато років. Давно було з’ясовано, що це дозволяє всім дельфінам і великим зубатим китам – кашалотам і клюворилам – орієнтуватися у воді. Посилаючи ультразвуковий імпульс і сприймаючи його відображення, звір може з великою точністю визначати відстань до здобичі, характер виниклої попереду перешкоди і своє положення в стаді. Досліди, проведені американськими дослідниками в спеціальних басейнах – океанаріумах, дозволили з’ясувати характеристику звуків, що видаються дельфінами.
У спокійному стані тварини випускають ультразвукові імпульси безупинно, через кожні 15-20 секунд, Ці імпульси служать для загального орієнтування. Але як тільки увагу звіра приверне якась перешкода або кинутий в басейн предмет, число імпульсів різко зростає; дельфін детально вивчає новий предмет за допомогою свого ехолокатора. Точність ехолокації дивно висока. Наприклад, дельфіни-афаліни (вони мешкають і у нас в Чорному морі) негайно реагували на кинуту у воду в 20-30 метрах від них маленьку дробинку, діаметром в 4 міліметри. Той же механізм допомагає тваринам відшукувати їжу. У басейн поміщалися два види риб: один з них був улюбленою їжею дельфінів, а інший – дуже схожий формою і розмірами – за своїми смаковими якостями не особливо приваблював їх. За багато метрів і в повній темряві тварина безпомилково відрізняла одну рибу від іншої.
Цікаво, що апарат ехолокації є тільки у зубастих китів. Багато хто з них харчується глибоководними організмами, які мешкають на глибині в півтори-дві тисячі метрів, де стоїть вічна ніч і органи зору безсилі допомогти в пошуках здобичі. Вусаті кити – мешканці поверхневих шарів океану, – харчуються в основному планктонними організмами, не володіють таким органом.
Основну роль в генерації ультразвуків грає складна система надчерепної повітроносної порожнини, що примикає до носового проходу. Своєрідні «мішки» розділені тонкими стінками. Під дією різних м’язів повітря пережимається з одного мішка в інший, а вібруючі при цьому стінки породжують ультразвуковий імпульс.
До самого останнього часу залишалося загадкою, яким чином тварина може фокусувати ультразвуки, посилати імпульс у потрібному напрямку. На голові дельфінів і зубастих китів є лобовий виступ з жирової тканини. Нам здається, що ця тканина служить акустичною лінзою. Вся система жирової подушки забезпечена власною своєрідною мускулатурою і складною системою зв’язків. Очевидно, призначення їх у тому, щоб змінювати фокусування лінзи.
Рефлектором генеруються ультразвуків може служити череп. На цю думку наштовхує особливість його конструкції, Справді, різні живі тканини по-різному проводять ультразвук. Жирова тканина – ідеальний провідник ультразвуку. Кісткові тканини проводять ультразвукові коливання значно гірше. Між іншим, призначення жирового лобного виступу до сих пір було незрозумілим.
Розрахунки показують, що якщо виходити з гіпотези ультразвукового прожектора і можливості фокусування пучка ультразвуку, кит може сконцентрувати в деякій точці простору перед головою значну енергію. Адже відомо, що інтенсивність звуку пропорційна квадрату частоти коливань. У дельфінів зареєстровані коливання частотою до 196 тисяч герц. При такій надвисокій частоті повинна створюватися вельми значна інтенсивність ультразвукового пучка.
Зараз ще неясно, як впливає ультразвук на живий організм і як буде діяти концентрований «пучок» такої інтенсивності, наприклад, на риб або головоногих молюсків, якими харчуються зубаті кити. Можна припустити, що ультразвуковий удар буде значний і повинен – хоча б на деякий час – приголомшити, паралізувати тварину. До речі, питання про те, як добувають їжу зубаті кити, загалом менш рухливі, ніж риби або кальмари, до сих пір залишається неясним. Гіпотеза про ультразвуковий прожектор нібито прояснює його.
Зверніть увагу на фото вгорі сторінки. На морді тюленя видно розташовані в строгому порядку дотикові волоски – вібриси. Виявилося, що число їх різне в різних видів і навіть підвидів наших тюленів. Призначення цього органу за життя у воді біологи довгий час не могли пояснити.
Особливості будови вібрис показують, що вони здатні сприймати і навіть посилювати найменші коливання водного середовища. Кожна вібриса являє собою довгий і міцний роговий стрижень у волосяній сумці, оточеній об’ємними кровоносними порожнинами. Кров або лімфа, що заповнюють ці порожнини, служать прекрасним і точним передавачем найнікчемніших тисків, які надходять на стінки власної сумки, а потім і на прикріплені до них пучки нервових волокон.
Якщо подивитися на сукупність вібрис, то впадає в очі сувора закономірність в їх розподілі. Можна припустити, що апарат вібрис – це своєрідна антена, що уловлює ультразвук. Система вібрис розвинена лише у вусатих китів і ластоногих, що не володіють здатністю до ехолокації, і, можливо, в якійсь мірі замінює її.
Багато дельфінів з легкістю обганяють швидкохідні човни. Вони розвивають швидкість до 45 км/год, а на короткий час – значно більшу. З точки зору законів механіки це майже нез’ясовно. Якщо зробити макет тулуба дельфіна, ідеально гладко обробити його поверхню і прикласти до нього максимальну потужність, яку тільки може розвинути тварина, то і тоді він буде рухатися значно повільніше. Вчені звернули увагу на особливості шкірного покриву дельфіна і показали, що саме тут криється розгадка таємниці незвично високої швидкості руху дельфінів.
Шкірний покрив ссавців складається з декількох шарів. До самого зовнішнього – епідермісу – примикає знизу шар власне шкіри – дерми – з товстим шаром жирової тканини – гіподерми, що перебуває під нею. У дельфінів ці шари невпізнанно змінилися в порівнянні з шкірою наземних ссавців. Епідерміс досяг десятиміліметрової товщини. Нижня його поверхню придбала пористу будову. В осередок входять пальцеподібні вирости прилеглого до нього майже п’ятиміліметрового шару дерми. Величезної товщини – не менше 10-50 міліметрів – досягає жировий шар – гіподерма.
Зовнішній шар шкіри дуже еластичний; за своїми властивостями він нагадує кращі сорти автомобільної гуми. У чому ж переваги шкіри дельфіна в порівнянні, скажімо, з ідеально обтічною сталевою обшивкою торпеди? Виявляється, при обтіканні тіла, одягненого подібною пружною оболонкою, не відбувається зриву потоку, не утворюється так званих турбулентних завихрень, які зазвичай поглинають левову частку енергії, витраченої на пересування. М’яка шкіра згладжує потік, і ламінарний плин водяних струменів не переходить в турбулентний. Досягається це тим, що по шкірі поширюється своєрідна хвиля збудження, яка відповідає ламінарній хвилі обтікаючого шкіру потоку.
Німецький інженер М. Крамер, копіюючи будову шкіри дельфіна, створив м’яку оболонку, названу їм «ламінфло». Вона була зроблена з двох шарів тонкої гуми. Гладкий зовнішній шар товщиною в півміліметра імітував епідерміс, внутрішній шар мав гумові сосочки, простір між якими було заповнено в’язкою силіконовою рідиною. Досвід з торпедою, покритою оболонкою «ламінфло», показав, що опір води при її русі знижується, принаймні, удвічі. В ході подальших експериментів були створені тришарові імітації. Однак навіть тришарова конструкція дуже приблизно нагадує шкіру дельфіна. Думається, що набагато більший ефект може бути досягнутий у випадку, якщо зовнішню оболонку робити товстою. Підбір матеріалу, близького за пружністю та еластичністю до природного зразка, може зробити непотрібним використання силіконового чи іншого наповнювача.
Деякі біологи стверджують, що демпфуючу – таку, що згладжує завихрення – властивість шкіри можна пояснити перетіканням жиру в тонких і вузьких проміжках між волокнами сполучної тканини. Однак жирові речовини в шкірі китів не перебувають у вільному стані і не можуть «перетікати». Саме тому можна говорити лише про пружність та еластичність клітин епідермісу, клітин жиру, сполучнотканинних волокон, але ніяк не про «перетікання» жирових речовин. Ця сторона питання повинна обов’язково враховуватися інженерами – конструкторами м’яких оболонок.
Зовсім недавно професор А. А. Глаголей висловив дуже цікаву гіпотезу. На його думку, шкіра китоподібних володіє гідрофобною – водовідштовхувальною властивістю. При зіткненні з нею молекули води організовуються в кільцеві структури, і рух тіла відбувається з використанням тертя кочення. Безсумнівно, що це значно економніше, ніж ковзання.
Терморегуляція у китів
Вода в 20-27 разів більше теплопровідна, ніж повітря. У цьому може переконатися на власному досвіді кожен. Навіть у теплій воді Чорного моря плавець ґрунтовно замерзне через кілька годин. Китоподібні проводять у воді все життя. Від замерзання їх захищає товстий жировий шар. Проте при великих м’язових навантаженнях – наприклад, при швидкому русі – організм виділяє значну кількість тепла, і тварина може перегрітися. Адже жирову «шубу», яка перешкоджає видаленню тепла, неможливо скинути на час. І все-таки кити, як і всі інші ссавці, мають постійну температуру тіла при будь-яких навантаженнях на організм.
Як же вдається їм регулювати температуру? Виявляється, для цього у них є особливий механізм. Кровоносні судини (а, як відомо, кров – основний переносник тепла) у китів розташовуються в шкірному покриві і утворюють сплетення у верхньому, середньому і нижньому його шарах, тобто відповідно в епідермісі, дермі і гіподермі. Велика товщина і низька теплопровідність тканин створюють значний перепад температур: зовнішні шари холодні, як омиваюча їх вода, а внутрішні – теплі, і тим тепліші, чим глибше вони розташовані. Залежно від стану тварини кров може надходити або в зовнішні – найбільш охолоджені шари тканин, або в менш охолоджені – середні, або, нарешті, в нижні – найтепліші і відповідно віддавати в навколишнє середовище більшу або меншу кількість тепла. Цей процес регулюється центральною нервовою системою.
Цікава конструкція так званих комплексних судин, які розташовуються в плавниках китів. Артеріальна судина щільно оточена спірально завитими навколо неї венами. Артеріальна і венозна кров течуть назустріч одна одній. Причому холодна венозна кров забирає теплоту у нагрітої артеріальної. При зростанні м’язових навантажень збільшується виділення організмом тепла. Але при цьому зростає і кров’яний тиск, що веде до збільшення просвіту центральної артерії і зменшенню перетину оточуючих її вен. Таким чином, зменшується кількість венозної крові в судині, вона менше забирає тепла у артеріальної крові, і остання надходить в охолоджені тканини плавника більш теплою. Так в плавниках здійснюється віддача надлишку тепла в навколишнє середовище.
Орган нюху – язик
У зубатих китів на дні неглибоких складок міцного рогового епітелію, що покриває поверхню язика, розташовуються групи особливих клітин. Призначення їх не цілком зрозуміло, але за будовою їх можна віднести до нюхових. Непрямі міркування також говорять про те, що у морських тварин повинен бути орган, що сприймає запахи – найменші зміни хімізму води.
Нюхова рецепція відрізняється від зору і слуху, насамперед характером передачі інформації. Якщо зір і слух – це дистантні рецептори моментальної дії, то нюх – рецептор з чіткою післядією. Подія сталася давно, але від неї залишилися якісь сліди – у вигляді зміни хімізму середовища, Інформація про подію може бути сприйнята через досить тривалий проміжок часу. Зауважимо, що в житті наземних ссавців така інформація про минулі події відіграє виняткову роль. Тим більш істотною вона повинна бути в порівняно одноманітному водному середовищі. До речі, умови для збереження запахів у воді набагато сприятливіші, ніж у повітрі; пояснюється це її щільністю і відсутністю таких рідкісних переміщень, які відбуваються з повітрям при найменшому подиху вітерця. Мабуть, на океан слід дивитися не тільки як на простір, наповнений різноманітними звуками, але і як на середовище, що несе в собі неймовірну кількість концентрованої інформації у вигляді «запахів».
Вусаті кити не мають на язику «нюхових ямок». Однак на кінці їх рила є своєрідні парні поглиблення, функція яких досі залишається невідомою. Чи не є ці поглиблення якраз тими органами, які здатні сприймати зміну хімізму середовища? В останні роки велися спостереження за переміщенням великих китів в райони скупчення планктону. Виявляється, що кити йдуть в такі місця по найкоротшому шляху. Як вони визначають напрям? Планктонні організми зазвичай концентруються в зоні найбільш сприятливої для них солоності. Якщо провести на карті океану ізогаліни – лінії, що з’єднують точки з однаковою солоністю, – то шлях китів на цій карті буде перпендикулярний до них. А це означає, що тварини абсолютно точно сприймають концентрацію солей у воді. Нагадаємо, що в Світовому океані вона змінюється дуже незначно (не рахуючи окраїнних морів) – на соті частки відсотка, і апарат швидкого сприйняття та аналізу цих змін має бути дивно точним.
Автор: В. Белькович, А. Яблоков.