Жива планета підводний світ дельфіни - кращі в світі плавці і нирці
4. Кращі в світі плавці і нирці.
Треба сказати, що вплив гідродинамічного поля дельфіни відчувають уже в «ранньому дитинстві». Справа в тому, що дитинчата дельфіна, особливо під час його годування, плаває поруч з маткою і інстинктивно вибирає таке положення щодо її тіла, при якому опір води найменше. Перебуваючи поруч з материнським боком, дельфінёнок економить сили і пливе пасивно, але так само швидко, як і мати за рахунок тиску поля, створеного її стрімким рухом.
Природа протягом багатьох тисячоліть шляхом природного відбору виробляла у дельфінів здатність наздоганяти свою здобич - швидкохідних риб. В результаті дельфіни придбали здатність стрімко рухатися по поверхні води, під водою і пірнати, швидко занурюючись в глибину, а також вистрибувати з води на велику висоту, часто рівну довжині тіла і навіть перевищує її. При цьому дельфіни можуть здійснювати стрибки і в довжину, в тому числі і при плаванні на спині. В процесі стрибка вони можуть також здійснювати поворот навколо осі свого тіла. Всі ці особливості руху дельфіни демонструють як у відкритому морі, так і в штучних басейнах.
Потрібно відзначити, що рух дельфінів у воді відрізняється великою динамічністю, тобто вони здатні швидко набирати швидкість і ще швидше гальмувати і зупинятися. Один потужний помах хвоста - і дельфін пропливає відстань, що дорівнює двом-трьом довжинам його тіла. Рухаючись із середньою для нього швидкістю (20-25 км / ч), дельфін ударом хвоста припиняє рух, виконавши «гальмівний шлях» довжиною всього в половину довжини свого тіла. Таке гальмування виходить настільки різким, що людиною воно сприймалося б як гідравлічний удар. Плисти дельфін може тільки вперед, «заднього ходу» він не має.
Вчені довго шукали відповіді на питання: як, чому і за рахунок чого дельфіни плавають так швидко?
Головним руховим органом китоподібних є хвіст, передня частина якого - це стислий з боків стебло, а задня - горизонтально розташовані хвостові лопаті. Хвостове стебло здійснює рухи вгору-вниз під дією потужних м'язів тулуба. Коли стебло йде вниз, хвостові лопаті повертаються вгору і навпаки. Обертального руху хвоста при плаванні дельфін не виробляє. Від частоти і амплітуди помахів хвоста і кутів нахилу хвостових лопатей залежить швидкість плавання. Хвостові лопаті виконують ще роль рулів повороту. Спинний однолопастний плавник служить пасивним стабілізатором, а парні грудні плавці діють в основному як рулі глибини. Про досконалість цього рухового механізму говорять і швидкість, і динаміка руху дельфіна в воді.
Захоплення стрімким рухом дельфінів було одним з перших вражень, отриманих людиною при спостереженні за цими тваринами. Однак у вчених, що займалися вивченням дельфінів, захоплення в кінці 30-х років XX століття змінилося ... здивуванням. Справа в тому, що англійський зоолог професор Джеймс Грей, який вивчав рух водних тварин, зробивши необхідні розрахунки, заявив, що дельфіни не повинні розвивати тієї швидкості, яку вони насправді розвивають. З урахуванням щільності води, яка в 800 разів більше щільності повітря, розмірів і маси дельфінів, найбільша швидкість, яку згідно гідродинамічним розрахунками можуть розвивати дельфіни, не може перевищувати 20 км / год. За розрахунками Грея виходило, що для досягнення швидкості в 40-50 км / ч, яку дельфіни мають фактично, сила їх м'язів повинна перевищувати звичайну мало не в 10 разів! Насправді ставлення сили до одиниці маси м'язи у китоподібних, в тому числі у дельфінів, приблизно таке ж, як і у всіх ссавців і не може змінюватися у великих межах. Крім того, якби м'язи володіли незвичайною силою, то дихальна і серцево-судинна система дельфінів не змогла б забезпечити працюючі м'язи киснем. Однак м'язам дельфінів, які працюють на «граничної потужності», цілком вистачає кисню. Така невідповідність теоретичних і фактичних можливостей китоподібних назвали парадоксом Грея.
Причини високої швидкості дельфінів стали шукати дослідники різних спеціальностей. Цікаву роботу з цієї проблеми провів конструктор ракет Макс Крамер, сподвижник відомого Вернера фон Брауна, творця ракети V-2 (ФАУ-2). При великих швидкостях повітря чинить опір який рухається предмету, майже порівнянне з опором води. Опір руху тіла в будь-якому середовищі визначається формою і швидкістю тіла. Тіло з гладкою поверхнею і добре обтічної формою відчуває найменший опір, так як середовище (вода, повітря) обтікає тіло спокійним, безперервним, ламінарним потоком. Навпаки, при поганій обтічності і шорсткості поверхні тіла оточуючий його потік отримає завихрення і зриви сплошности. Такий рух середовища називають турбулентним (по латині турбулентний означає бурхливий, безладний). Турбулентний потік викликає значно більший опір руху тіла, ніж ламінарний.
Крамер виготовив металеву модель, точно копіює форми і розміри дельфіна. Поверхня моделі ретельно відполірували. Але випробування моделі в гідродинамічному каналі показали, що і ця модель зазнає звичайне для твердого тіла опір, яке змінюється пропорційно квадрату швидкості. Значить, секрет полягає не в гладкості поверхні, у всякому разі, не тільки в цьому.
Вивчення будови шкіри дельфіна показало, що вона має два основних шару: еластичний зовнішній (епідерміс) і що лежить під ним пружний внутрішній (дерма з високими сосочками і жировим відкладенням).
Крамер правильно припустив механізм «роботи» шкіри дельфіна при його русі в воді. Суть його така: зовнішній шар шкіри вигинається і пружинить під тиском води в тих місцях, на які цей тиск впливає. Виходить так, що там, де вода, оточуюча пливе дельфіна, утворює ділянки турбулентного (вихрового) руху, там шкіра дельфіна прогинається всередину, вбирає в утворилося поглиблення турбулентний ділянку води, як би ізолюючи його від решти маси води, ламінарно оточуючої тіло тварини. На основі цих уявлень Крамер розробив складне штучне 3-шарове покриття для торпед, по конструкції схоже на шкіру дельфіна. Випробування показали, що таке покриття значно (на 60%) знижує опір води руху торпеди на великій швидкості (70 км / ч). Але ніякі подальші удосконалення цього покриття не могли привести до більш помітного ефекту. А якщо ще врахувати велику вартість штучного покриття, то стане ясно, що воно не може конкурувати зі шкірою дельфіна. Зрозуміло, справа не тільки в будові шкіри дельфіна. Причина високих гідродинамічних якостей дельфінів полягає також і в тому, що їх мозок з разючою досконалістю управляє шкірою. Інформація про зміни тиску на тій чи іншій ділянці шкіри негайно повідомляється головного мозку мільйонами тонких датчиків-рецепторів шкіри, а мозок посилає по нервах біоструми-команди відповідних ділянках шкірної мускулатури. При стрімкому русі дельфіна по його тілу йде м'язова хвиля, яка, на думку фахівців, знижує гідродинамічний опір.
Роботи вчених Інституту еволюційної морфології і екології тварин імені О.М. Северцова АН СРСР показали, що дельфін зберіг функціональну організацію скелетно-м'язового комплексу наземних ссавців. Не випадково руху дельфіна в воді нагадують стрибучий біг наземних тварин. Поперечні коливання тіла активно пливе дельфіна відбуваються у вертикальній площині на відміну від рухів пливуть риб, які звивалися своє тіло в горизонтальній площині.
Анатомія дельфіна, зокрема, афаліни, показує, що найбільш потужні рухові м'язи прикріплюються в ділянках підвищеної рухливості тіла. Ці ділянки знайдені по кинематическим характеристикам і розташовуються, якщо рахувати від кінчика носа (рострума), на відстанях в 0,3, 0,75 і 0,95 довжини тіла. Навколо цих ділянок, як навколо шарнірів, обертаються сусідні ділянки тіла дельфіна. З'ясувалося. Що два перших «шарніра» знаходяться там, де розташовуються пояси кінцівок у наземних ссавців. До речі, від таких поясів у китів збереглися лопатка і скорочені тазові кісточки.
Кінематика рухів тіла дельфіна така, що тиск води від голови до хвоста знижується, що зменшує ступінь турбулентності і отже, знижує опір водного середовища.
Вивчення роботи шкірної мускулатури і всієї рухової системи дельфінів триває вченими багатьох країн. Наявні на сьогодні дані говорять про найвищого ступеня пристосованості дельфінів до життя і руху води. У процесі тривалої еволюції шкіра дельфінів придбала здатність регулювати ламінарний потік води, попереджувати виникнення турбулентних ділянок в цьому потоці. Рушій дельфіна - хвостовий плавник, а також спинний і грудні плавці саморегулюються при русі: їх гідропружних рефлекторно змінюється в залежності від швидкості плавання. Результатом цих, майже в повному сенсі чудесних, успіхів еволюції стала можливість дельфінів плавати зі швидкістю, вище розрахованої за формулами гідродинаміки. Тому тепер навряд чи варто говорити про якийсь феномен, відкритому англійським ученим Греєм 75 років тому. Парадоксом тут можна вважати хіба що саму спробу цього вченого використовувати закони гідродинаміки для пояснення властивостей тіла, перетвореного еволюцією в складну саморегульовану біологічну систему.
Всі китоподібні прекрасно плавають, але пірнають все по-різному. Дельфіни, які харчуються в основному пелагическими видами риб (тобто риб, що мешкають в поверхневому шарі морської води), пірнають легко, але не глибоко (до 25-35 м). Дельфіни, які харчуються придонному їжею, пірнають значно глибше. Наприклад, афаліни в Чорному морі пірнають на глибину 80-90 м, а спеціально навчені афаліни можуть пірнати на глибину 170 м і навіть глибше. У природних умовах час перебування під водою у дельфінів складає від 3-4 до 10-15 хвилин. Для порівняння: наземні ссавці не в змозі зупинити дихання більше ніж на 1,5 хвилини. Людина в спокійному стані може зробити паузу між вдихами не більше ніж на 1,0 - 1,5 хвилини і тільки професійні нирці можуть затримувати дихання на 2-3 хвилини, але це межа.
Чужа людині водна стихія впускає в свої глибини тільки ті істоти, які пристосовані до неї. Нетренована людина без будь-яких пристосувань типу скафандра або акваланга може пірнути на глибину не більше 10-15 м. На велику глибину пірнають ловці губок в пошуках перлів, але це вже явища з розряду екстремальних.
Про ступінь пристосованості дельфінів до пірнання можна судити з такого прикладу: в одному з американських океанариумов навчили дельфіна за 105 хвилин пірнати за сигналом 50 раз поспіль на глибину до 30 м. Це був морщіністозубий дельфін, що мешкає в помірному і тропічному поясі Світового океану. Його розмір сягає 2,5 метра в довжину, зубів 100-104 шт. на підйом з глибини 30 м цей дельфін витрачав в середньому 18 секунд. А ось якби водолаз в м'якому скафандрі пробув на глибині 30 м всього 10-12 хвилин, то на його підйом треба було б не менше 10 годин. Швидкий, скажімо, протягом 2-3 хвилин підйом людини з такої глибини означав би його негайну загибель від кесонної хвороби.
Таке велике час на підйом водолаза навіть з незначною глибини (30-40 м) потрібно йому для декомпресії тіла. З ростом глибини на кожні 10 м тиск води збільшується на одну атмосферу. Якщо водолаз спустився, наприклад, на 150 м, то на нього впливає тиск води в 16 атмосфер. Для врівноваження такого тиску водолазу подають повітря під тиском близько 16 атмосфер. При збільшенні тиску в легенях водолаза надходить більше повітря по вазі, ніж в звичайних умовах, а розчинність повітря в крові зростає. Поступово кров у всьому тілі людини стає насиченою повітрям, точніше, - основним його компонентом - азотом. При швидкому підйомі водолаза тиск швидко падає, і кров як би закипає: з неї виділяються бульбашки азоту, які можуть потрапити у великий кровоносну судину, наприклад, в аорту і перекрити її, а це означає негайну смерть людини.
Час на декомпресію скорочують шляхом вдосконалення конструкції аквалангів та скафандрів, а також використанням для дихання водолазів газової суміші гелію (96-98%) і кисню (2-4%). Така суміш використовується з наступних причин: гелій (нейтральний газ, як і азот) потрапляє в кров швидше і менше розчиняється в ній, а виходить з крові швидше, ніж азот. Тому така суміш більш безпечна для людини, ніж повітря. Час на декомпресію в цьому випадку знижується в 3-4 рази.
А тепер зіставимо факти. Дельфіни, навіть коли вони стрімко, в лічені секунди піднімаються з глибин в десятки і сотні метрів, не відчувають ніяких неприємних відчуттів. Причина тут в тому, що дельфін, заповнивши перед зануренням свої легені порцією повітря, йде з цієї однією порцією повітря на глибину. Повітря в його легенях знаходиться під нормальним тиском, тому азот потрапляє в його кров в незначній кількості, що абсолютно безпечно для дельфіна.
Але тільки цього було б недостатньо для занурення на великі глибини. Для тривалого пірнання організм дельфінів, як і всіх китоподібних, має низку фізіологічних особливостей. Почати з того, що дихальний акт у китоподібних порушується не накопиченням вуглекислоти, а наступаючим нестачею кисню в крові. Для порівняння зазначимо, що у наземних ссавців і у людини акт дихання порушується накопиченням вуглекислоти в крові, і вони роблять вдих, коли в легенях залишається ще значна кількість кисню. Китоподібні, таким чином, використовують кисень в крові і в легенях більш повно, ніж наземні ссавці, і можуть надовго затримувати дихання. Легкі китоподібних дуже еластичні і здатні швидко стискатися і розширюватися. Тому за один подих в їх легких повітря оновлюється на 80-90%, а у людини навіть при глибокому вдиху-видиху - лише на 15-20%.
Під час пірнання кров в тілі китоподібних подає кисень в першу чергу в життєво важливі органи - в серце і головний мозок, а деякі органи і м'язи не отримують кисень з крові (частина вен, що несуть кров від цих органів і м'язів, перекривається при пірнанні) і змушені обходитися запасами кисню, що міститься в миоглобине. У цій ситуації частота серцебиття різко сповільнюється, а тканини і органи отримують кисень в зменшеній кількості. Наприклад, якщо на поверхні води у дельфіна афаліни частота пульсу була в межах 100-130 ударів в хвилину, то на глибині пульс стає рівним 40-50 ударам в хвилину.
Робота серцево-судинної системи китоподібних, особливо пірнаючих на великі глибини в 1,5-2 і більше кілометрів (кашалоти, фінвали, клюворилі кити) містить ще багато загадок, і її вивчення триває.