Распределение плотности и биологические процессы: от планктона до китов

  В этом разделе мы поговорим о том, как удается некото­рым видам морских организмов «справляться» с окружаю­щей их жидкой средой в условиях, когда небольшое разли­чие в плотности между организмом и морской водой непо­средственно влияет на его образ жизни и поведение. Начнем с утверждения: средняя плотность живого вещества, вклю­чая внутренний или внешний скелет, больше, чем средняя плотность морской воды, так что морские организмы дол­жны тонуть. Поэтому все обитатели моря используют определенные приемы и «приспособления» для того, чтобы парить, т. е. оставаться в течение продолжительного време­ни на нужной глубине. Различные виды должны уметь на­ходиться в определенном диапазоне глубин, чтобы добы­вать пищу и обеспечивать нормальную работу ферментов, которые чувствительны к изменениям давления.

Регулирование плавучести у кашалота

  По причинам, которые не вполне ясны, основной пищей ка­шалотов служат гигантские кальмары, обитающие на глу­бинах от 300 до 2000 м. Как млекопитающее, которое ды­шит воздухом, кашалот в состоянии покоя обязательно дол­жен находиться на поверхности. Плавучесть, необходимая для того, чтобы компенсировать вес его скелета, и защита от больших потерь внутреннего тепла обеспечиваются сло­ем так называемого китового жира. Он легче воды и у всех китов служит для теплоизоляции. Однако у кашалота в про­цессе эволюции появилось дополнительное приспособление для повышения плавучести — огромная жировая подушка в голове, заполненная особого рода жировоском — спермаце­том (рисунок 9.7). Почему это китообразное использует два различных механизма увеличения плавучести, если осталь­ные имеют только один? А может быть, основное назначе­ние спермацетового органа — вовсе не увеличение плавуче­сти? Китобои давно знают, что спермацет — это довольно «своеобразный» жир. Данные последних исследований по­зволяют предположить, что спермацетовый орган дает жи­вотному отрицательную плавучесть, а не положительную, и что не имея его, кашалот не мог бы нырять на глубину до 2 км за своей излюбленной пищей.

 Кашалот

 

  Чтобы понять, как работает этот механизм, рассмотрим вначале свойства самого спермацета. Как и большинство жидкостей, его можно заморозить, но превращается он при этом не в твердый «лед», а в гель (желеобразную массу на­подобие желатина). Важно отметить, что при желатиниро­вании объем, занимаемый спермацетом, сокращается. Бо­лее того, фазовый переход жидкость — гель происходит при температуре и давлении, которые характерны для глу­бины около 100 м в океане.

  Следствия этого обстоятельства любопытны. Допустим, во-первых, что животное умеет каким-то образом понижать температуру находящегося в его организме спермацета. Тог­да объем его тела при погружении на большую глубину должен уменьшаться и уменьшаться существенно, если учесть огромные размеры его головы. Это означает, что средняя плотность тела должна возрастать так же, как воз­растает с глубиной плотность морской воды. Отсюда следу­ет, что при погружении животное может поддерживать ней­тральную плавучесть и даже приобретать отрицательную плавучесть и таким образом экономить энергию, которую в противном случае оно должно было бы затрачивать на то, чтобы погружаться, активно работая хвостом (вспомним, что в неподвижном состоянии кашалот будет плавать на по­верхности). Преимущество очевидно: чем меньше энергии требуется, чтобы добраться до мест, где обитает добыча, тем больше энергии останется на то, чтобы преследовать ее.

  Следующий вопрос состоит в следующем: нуждается ли кашалот в дополнительных средствах для того, чтобы ныр­нуть на глубину? Рисунок 9.8 показывает, что в экваториальной зоне плотность воды на глубине 1500 м на 0,5% больше, чем на поверхности. На кита весом 50 т, , начавшего погру­жение с нейтральной плавучестью, на глубине 1500 м дейст­вовала бы выталкивающая сила в 250 кг. Образно говоря, в этом случае кашалот должен был бы работать в форсиро­ванном режиме.

  Регулирование плавучести во время погружения. Ясно, что в начале погружения основная часть спермацета нахо­дится в жидком состоянии. В процессе погружения кашалот открывает дыхательное отверстие, пропуская холодную морскую воду через широкий прямой носовой канал, прохо­дящий через жировую подушку (рисунок 9.7). В результате теп­ло быстро передается от спермацета воде, которая затем «извергается» из тела. В конечном итоге от спермацета от­нимается столько тепла, что он желатинируется; соответст­венно средняя плотность тела кашалота возрастает и урав­нивается с плотностью окружающей воды. В каком-то смысле животное «проглатывает» свой путь вниз! Однако из-за того, что продолжительность ныряния ограничена возможностями организма, помимо регулирования плавуче­сти кашалот, вероятно, использует активное заглубление с помощью хвоста.

 Кашалот Plyseter catedon

Кашалот Plyseter catedon

Рисунок 9.7. Кашалот Plyseter catedon.

Голова кашалота составляет примерно одну треть общей длины тела. В организме этого животного, весящего 30 т, может содержаться до 2,5 т спермацета (жировоска), находящегося в спермацетовом органе в верхней челюсти животного. Когда животное плавает на поверхности и температура его тела равна 33° С, спермацет представля­ет собой прозрачную жидкость. Но извлеченный из тела кашалота спермацет при температуре воздуха 18° С за­стывает, превращаясь в мягкую податливую желеобраз­ную массу.

Продольный разрез головы иллюстрирует основные детали спермацетового органа, а также правый и левый носовые каналы, по которым, когда кашалот находится на поверхности, воздух поступает в легкие. Когда живот­ное находится под водой, по этим носовым каналам может протекать вода, омывающая спермацетовый ор­ган.

Тепло, запасенное в спермацете, может уходить не­посредственно через мышечную ткань и подкожный жи­ровой слой в холодную окружающую воду. Чтобы охла­дить спермацет, кашалот располагает и другой возмож­ностью — он открывает доступ холодной воде в дыха­тельное отверстие, пропускает ее через воздушный ме­шок и через широкий, но плоский правый носовой канал, проходящий через весь спермацетовый орган. Тепло пе­редается от спермацета воде, в результате чего сперма­цет затвердевает. Мышцы вокруг спермацетового органа обеспечивают всасывание и выброс воды.

 

  Регулирование плавучести при всплывании. Затраты энергии, необходимые для возвращения на поверхность, ка­шалот может уменьшить, если каким-то образом обратит в жидкое состояние желатинированный спермацет. Для этого требуется некоторое количество тепла, которое на больших глубинах трудно получить. Если же температура окружаю­щей воды на глубине меньше, чем температура желатиниро­ванного спермацета, передача последнему избыточного теп­ла вообще невозможна.

  Кашалот, однако, имеет внутренний источник тепла, ко­торое запасается в мышечных тканях. Поскольку кашалот обладает прекрасной «термоизоляцией» благодаря слою подкожного жира, он практически не отдает избыточное тепло окружающей морской воде путем теплопроводности. Животное прокачивает через мышечные ткани кровь, «заби­рающую» это избыточное тепло; затем нагретая кровь по­дается в кровеносную систему спермацетового органа, где под действием тепла спермацет разжижается. Благодаря этому кашалот также экономит время. В обычных условиях из-за хороших изолирующих свойств подкожной жировой прослойки кашалот может обмениваться теплом только с вдыхаемым им воздухом, а этот процесс идет весьма мед­ленно из-за низкой удельной теплоемкости воздуха. По­скольку кашалот использует тепло тела для расплавления спермацета, к моменту, когда он всплывает на поверхность, температура его мышечных тканей понижается, вследствие чего плотность его тела оказывается соответствующей ней­тральной плавучести (на поверхности)! Для следующего по­гружения ему остается лишь запастись кислородом и осво­бодиться от газообразных продуктов метаболизма, таких как СO2, — задача, с которой прекрасно справляются легкие.

  Наблюдения показывают, что в обычных условиях каша­лот погружается со скоростью около 2 м/с (это соответст­вует быстрой ходьбе человека). Таким образом, погружение на глубину 1000 м занимает около 8 мин. Возвращение на поверхность происходит быстрее — со скоростью 2,5 м/с. Итого на путь туда и обратно у кашалота уходит около 15 мин; еще 35 мин остается для поиска и преследования до­бычи. Вынырнув на поверхность, кашалот обычно отдыха­ет примерно 10 мин, делая от 40 до 50 вдохов, чтобы насы­тить мышечные ткани кислородом. После этого он снова готов к погружению.

Сравнение условий окружающей среды, с которыми встречается кашалот на своем пути

  В своих годовых миграцях по поверхности океана кашалот перехо­дит из экваториальных вод в субполярные. Соответствующий пере­пад температуры на поверхности достигает 20 °С. Значения плот­ности поверхностных вод на экваторе на 0,4% меньше, чем поляр­ных вод (при одной и той же солености).

  Каким образом животное регулирует свою плавучесть, чтобы оставаться в состоянии нейтральной плавучести на протяжении все­го пути следования? Один способ — изменять объем воздуха в лег­ких. Другой — изменять температуру спермацета, находящегося в голове животного. Плотность спермацета растет при уменьшении температуры, и это позволяет кашалоту компенсировать увеличе­ние плотности воды при продвижении на север. Поскольку ско­рость перемещения животного не очень велика, температура окру­жающей его воды меняется медленно. Таким образом, животное располагает достаточным временем для того, чтобы спермацет принял температуру, соответствующую окружающим условиям.

  С такими же изменениями температуры кашалот сталкивается в экваториальных водах, когда он ныряет на глубину 1500 м и бо­лее. (Кашалоты питаются в экваториальной зоне Тихого океана. Благодаря апвеллингу здесь высока первичная продукция и в боль­шом количестве представлены различные звенья пищевой цепи, включая те виды, которые служат излюбленной пищей кашалотов.)

Сравнение условий окружающей среды, с которыми встречается кашалот на своем пути

Рисунок 9.8

  В полярных водах на глубине 1500 м изменение плотности со­ставляет около 0,2%: если на поверхности животное обладает нейтральной плавучестью, то на глубине оно будет иметь положи­тельную плавучесть величиной 0,2% от веса тела. В экваториаль­ной зоне водная толща стратифицирована по плотности сильнее и перепад плотности между поверхностью и глубиной, на которую ныряет кашалот, составляет 0,5%. Отсюда следует, что какой-либо один механизм регулирования плавучести не может обеспечить оп­тимальные условия существования кашалота и в том и в другом регионе: животное должно использовать несколько механизмов ре­гулирования плавучести.