Обитатели моря делятся опытом с конструкторами

Возможно, что идею колеса подсказал человеку круглый камень, скатившийся с горы. Несомненно, что человек построил самолет, подражая парящим в поднебесье птицам… Природа многое подсказала инженерам. И еще больше может подсказать сейчас, когда неизмеримо возросли возможности техники и вместе с тем шире и глубже развернули свои исследования биологи. Не случайно именно в последние годы на стыке биологии и техники родилась новая отрасль знаний — бионика. Статья биологов В. Бельковича и А. Яблокова рассказывает о некоторых интересных и малоизученных особенностях строения организма морских млекопитающих: тюленей, китов и дельфинов. В ряде случаев авторы предлагают собственные гипотезы, объясняющие действие или назначение того или другого «механизма» животного. Может быть инженеры предложат другое объяснение тем же явлениям! А может быть, они заимствуют у животных принцип решения некоторых «инженерных» задач и перенесут их в свои конструкции.

Способность некоторых китов испускать ультразвуки высокой частоты — до 150 тысяч герц — известна уже много лет. Давно было выяснено, что это позволяет всем дельфинам и крупным зубатым китам — кашалоту и клюворылым — ориентироваться в воде. Посылая ультразвуковой импульс и воспринимая его отражение, зверь может с большой точностью определять расстояние до добычи, характер возникшего впереди препятствия и свое положение в стаде. Опыты, проведенные американскими исследователями в специальных бассейнах — океанариумах, позволили выяснить характеристику звуков, которые издаются дельфинами.

В спокойном состоянии животные испускают ультразвуковые импульсы непрерывно, через каждые 15—20 секунд, Эти импульсы служат для общей ориентировки. Но как только внимание зверя привлечет какое-то препятствие или брошенный в бассейн предмет, число импульсов резко возрастает; дельфин детально изучает новый предмет с помощью своего эхолокатора. Точность эхолокации удивительно высока. Например, дельфины-афалины (они обитают и у нас в Черном море) немедленно реагировали на брошенную в воду в 20—30 метрах от них маленькую дробинку, диаметром в 4 миллиметра. Тот же механизм помогает животным отыскивать пищу. В бассейн помещались два вида рыб: один из них был любимой пищей дельфинов, а другой — очень похожий формой и размерами — по своим вкусовым качествам не особенно привлекал их. За много метров и в полной темноте животное безошибочно отличало одну рыбу от другой.

Интересно, что аппарат эхолокации есть только у зубатых китов. Многие из них питаются глубоководными организмами, которые обитают на глубине в полторы-две тысячи метров, где стоит вечная ночь и органы зрения бессильны помочь в поисках добычи. Усатые киты — обитатели поверхностных слоев океана, — питающиеся в основном планктонными организмами, не обладают таким органом.

Основную роль в генерации ультразвуков играет сложная система надчерепных воздухоносных полостей, примыкающих к носовому проходу. Своеобразные «мешки» разделены тонкими стенками. Под действием различных мышц воздух пережимается из одного мешка в другой, а вибрирующие при этом стенки порождают ультразвуковой импульс.

До самого последнего времени оставалось загадкой, каким образом животное может фокусировать ультразвуки, посылать импульс их в нужном направлении. На голове дельфинов и зубатых китов есть лобный выступ из жировой ткани. Нам кажется, что эта ткань служит акустической линзой. Вся система жировой подушки снабжена собственной своеобразной мускулатурой и сложной системой связок. Очевидно, назначение их в том, чтобы изменять фокусировку линзы.

Рефлектором генерируемых ультразвуков может служить череп. На эту мысль наталкивает особенность его конструкции, В самом деле, различные живые ткани по-разному проводят ультразвук. Жировая ткань — идеальный проводник ультразвука. Костные ткани проводят ультразвуковые колебания значительно хуже. Между прочим, назначение жирового лобного выступа до сих пор было непонятным.

Расчеты показывают, что если исходить из гипотезы ультразвукового прожектора и возможности фокусировки пучка ультразвука, кит может сконцентрировать в некоторой точке пространства перед головой значительную энергию. Ведь известно, что интенсивность звука пропорциональна квадрату частоты колебаний. У дельфинов зарегистрированы колебания частотой до 196 тысяч герц. При такой сверхвысокой частоте должна создаваться весьма значительная интенсивность ультразвукового пучка.

Сейчас еще неясно, как влияет ультразвук на живой организм и как будет действовать концентрированный «пучок» такой интенсивности, например, на рыб или головоногих моллюсков, которыми питаются зубатые киты. Можно предположить, что ультразвуковой удар будет значителен и должен — хотя бы на некоторое время — ошеломить, парализовать животное. Кстати, вопрос о том, как добывают пищу зубатые киты, в общем менее подвижные, чем рыбы или кальмары, до сих пор остается неясным. Гипотеза об ультразвуковом прожекторе как будто бы проясняет его.

Обратите внимание на фото вверху страницы. На тюленьей морде видны расположенные в строгом порядке осязательные волоски — вибриссы. Оказалось, что число их различно у разных видов и даже подвидов наших тюленей. Назначение этого органа при жизни в воде биологи долгое время не могли объяснить.

Особенности строения вибрисс показывают, что они способны воспринимать и даже усиливать малейшие колебания водной среды. Каждая вибрисса представляет собой длинный и прочный роговой стержень в волосяной сумке, окруженной объемистыми кровеносными полостями. Кровь или лимфа, заполняющие эти полости, служат великолепным и точным передатчиком самых ничтожных давлений, которые поступают на стенки волосяной сумки, а затем и на прикрепленные к ним пучки нервных волокон.

Если посмотреть на совокупность вибрисс, то бросается в глаза строгая закономерность в их распределении. Можно предположить, что аппарат вибрисс — это своеобразная антенна, улавливающая ультразвук. Система вибрисс развита лишь у усатых китов и ластоногих, не обладающих способностью к эхолокации, и, возможно, в какой-то степени заменяет ее.

Многие дельфины с легкостью обгоняют быстроходные суда. Они развивают скорость до 45 км/час, а на короткое время — значительно большую. С точки зрения законов механики это почти необъяснимо. Если сделать макет туловища дельфина, идеально гладко обработать его поверхность и приложить к нему максимальную мощность, которую только может развить животное, то и тогда он будет двигаться значительно медленнее. Ученые обратили внимание на особенности кожного покрова дельфина и показали, что именно здесь кроется разгадка тайны необычно высокой скорости движения дельфинов.

Кожный покров млекопитающих состоит из нескольких слоев. К самому наружному — эпидермису — примыкает снизу слой собственно кожи — дермы — с находящимся под ней толстым слоем жировой ткани — гиподермы, У дельфинов эти слои неузнаваемо изменились по сравнению с кожей наземных млекопитающих. Эпидермис достиг десятимиллиметровой толщины. Нижняя его поверхность приобрела ячеистое строение. В ячейки входят пальцеобразные выросты прилегающего к нему почти пятимиллиметрового слоя дермы. Огромной толщины — не менее 10—50 миллиметров — достигает жировой слой — гиподерма.

Наружный слой кожи очень эластичен; по своим свойствам он напоминает лучшие сорта автомобильной резины. В чем же преимущества кожи дельфина по сравнению, скажем, с идеально обтекаемой стальной обшивкой торпеды? Оказывается, при обтекании тела, одетого подобной упругой оболочкой, не происходит срыва потока, не образуется так называемых турбулентных завихрений, которые обычно поглощают львиную долю энергии, затраченной на передвижение. Мягкая кожа сглаживает поток, и ламинарное течение водяных струй не переходит в турбулентное. Достигается это тем, что по коже распространяется своеобразная волна возбуждения, которая соответствует ламинарной волне обтекающего кожу потока.

Немецкий инженер М. Крамер, копируя строение кожи дельфина, создал мягкую оболочку, названную им «ламинфло». Она была сделана из двух слоев тонкой резины. Гладкий наружный слой толщиной в полмиллиметра имитировал эпидермис, внутренний слой имел резиновые сосочки, пространство между которыми было заполнено вязкой силиконовой жидкостью. Опыт с торпедой, покрытой оболочкой «ламинфло», показал, что сопротивление воды при ее движении снижается, по крайней мере, вдвое. В ходе дальнейших экспериментов были созданы трехслойные имитации. Однако даже трехслойная конструкция весьма приблизительно напоминает кожу дельфина. Думается, что гораздо больший эффект может быть достигнут в случае, если наружную оболочку делать толстой и ячеистой. Подбор материала, близкого по упругости и эластичности к природному образцу, может сделать ненужным использование силиконового или иного наполнителя.

Некоторые биологи утверждают, что демпфирующее — сглаживающее завихрения — свойство кожи можно объяснить перетеканием жира в тонких и узких промежутках между волокнами соединительной ткани. Однако жировые вещества в коже китов не находятся в свободном состоянии и не могут «перетекать». Именно поэтому можно говорить лишь об упругости и эластичности клеток эпидермиса, клеток жира, соединительно-тканных волокон, но никак не о «перетекании» жировых веществ. Эта сторона вопроса должна обязательно учитываться инженерами — конструкторами мягких оболочек.

Совсем недавно профессор А. А. Глаголей высказал очень интересную гипотезу. По его мнению, кожа китообразных обладает гидрофобным — водоотталкивающим свойством. При соприкосновении с нею молекулы воды организуются в кольцевые структуры, и движение тела происходит с использованием трения качения. Несомненно, что это значительно экономичнее, чем скольжение.

Терморегуляция у китов

Вода в 20—27 раз более теплопроводна, чем воздух. В этом может убедиться на собственном опыте каждый. Даже в теплой воде Черного моря пловец основательно замерзнет через несколько часов. Китообразные проводят в воде всю жизнь. От замерзания их защищает толстый жировой слой. Однако при больших мышечных нагрузках — например, при быстром движении — организм выделяет значительное количество тепла, и животное может перегреться. Ведь жировую «шубу», которая препятствует удалению тепла, невозможно скинуть на время. И все-таки киты, как и все другие млекопитающие, имеют постоянную температуру тела при любых нагрузках на организм.

Как же удается им регулировать температуру? Оказывается, для этого у них имеется особый механизм. Кровеносные сосуды (а, как известно, кровь — основной переносчик тепла) у китов располагаются в кожном покрове и образуют сплетения в верхнем, среднем и нижнем его слоях, то есть соответственно в эпидермисе, дерме и гиподерме. Большая толщина и низкая теплопроводность тканей создают значительный перепад температур: наружные слои холодные, как омывающая их вода, а внутренние — теплые, и тем теплее, чем глубже они расположены. В зависимости от состояния животного кровь может поступать либо в наружные — наиболее охлажденные слои тканей, либо в менее охлажденные — средние, либо, наконец, в нижние — самые теплые и соответственно отдавать в окружающую среду большее или меньшее количество тепла. Этот процесс регулируется центральной нервной системой.

Любопытна конструкция так называемых комплексных сосудов, которые располагаются в плавниках китов. Артериальный сосуд плотно окружен спирально завитыми вокруг него венами. Артериальная и венозная кровь текут навстречу друг другу. Причем холодная венозная кровь забирает теплоту у нагретой артериальной. При возрастании мышечных нагрузок увеличивается выделение организмом тепла. Но при этом растет и кровяное давление, что ведет к увеличению просвета центральной артерии и уменьшению сечения окружающих ее вен. Таким образом, уменьшается количество венозной крови в сосуде, она меньше забирает тепла у артериальной крови, и последняя поступает в охлажденные ткани плавника более теплой. Так в плавниках осуществляется отдача избытка тепла в окружающую среду.

Орган обоняний — язык

У зубатых китов на дне неглубоких складок прочного рогового эпителия, покрывающего поверхность языка, располагаются группы особых клеток. Назначение их не вполне понятно, но по строению их можно отнести к обонятельным. Косвенные соображения также говорят о том, что у морских животных должен быть орган, воспринимающий запахи — ничтожные изменение химизма воды.

Обонятельная рецепция отличается от зрения и слуха, прежде всего характером передачи информации. Если зрение и слух — это дистантные рецепторы моментального действия, то обоняние — рецептор с четким последействием. Событие произошло давно, но от него остались какие-то следы — в виде изменения химизма среды, Информация о событии может быть воспринята через достаточно длительный промежуток времени. Заметим, что в жизни наземных млекопитающих такая информация о прошлых событиях играет исключительную роль. Тем более существенной она должна быть в сравнительно однообразной водной среде. Кстати, условия для сохранения запахов в воде гораздо более благоприятны, чем в воздухе; объясняется это ее плотностью и отсутствием таких редких перемещений, какие происходят с воздухом при малейшем дуновении ветерка. Видимо, на океан следует смотреть не только как на пространство, наполненное разнообразными звуками, но и несущее в себе невероятное количество концентрированной информации в виде «запахов».

Усатые киты не имеют на языке «обонятельных ямок». Однако на конце их рыла есть своеобразные парные углубления, функция которых до сих пор остается неизвестной. Не являются ли эти углубления как раз теми органами, которые способны воспринимать изменение химизма среды? В последние годы велись наблюдения за перемещением крупных китов в районы скопления планктона. Оказывается, что киты идут в такие места по наикратчайшему пути. Как они определяют направление? Планктонные организмы обычно концентрируются в зоне наиболее благоприятной для них солености. Если провести на карте океана изогалины — линии, соединяющие точки с одинаковой соленостью, — то путь китов на этой карте будет перпендикулярен к ним. А это значит, что животные совершенно точно воспринимают концентрацию солей в воде. Напомним, что в Мировом океане она меняется весьма незначительно (не считая окраинных морей) — на сотые доли процента, и аппарат быстрого восприятия и анализа этих изменений должен быть удивительно точным.

Автор: В. Белькович, А. Яблоков.