Регулирование плавучести у кашалота, глава из "Океанологии" Стива Нешибы
Выкладываю тут оцифровку из учебника "Океанология" Стива Нешибы:
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 (рис. 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.
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? Рис. 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 (см. рис.) 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.
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 С02, - 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.
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 (рис. 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.
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? Рис. 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 (см. рис.) 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.
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 С02, - 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.