Насосы высокого давления

Несмотря на огромную грузоподъемность, газовые поплавки не пользуются всеобщим признанием: они сложны в эксплуатации. Газы в отличие от воды легко сжимаются. Чтобы обладатель плавательного пузыря не был привязан к однажды выбранному горизонту и мог всплывать или уходить на большую глубину, он должен иметь мощные насосы, позволяющие поддерживать на постоянном уровне объем своего поплавка.

Перед обитателями океана, решившими обзавестись газовыми баллонами, кроме необходимости иметь насосы высокого давления, вставал вопрос, из чего строить баллоны, где в подводном царстве достать необходимое количество газа и как избежать постоянных и значительных его потерь при столь высоких давлениях.

Плавательный пузырь представляет собою удлиненный эластичный мешок, лежащий в полости тела, непосредственно под позвоночником, ведь подъемная сила пузыря должна передаваться на твердый каркас рыбьего тела. Размер плавательного пузыря находится в точном соответствии с размерами рыбы и у обитателей океана достигает 5 процентов объема их тела, а их удельный вес без учета плавательного пузыря равняется 1,07. Плотность пресной воды существенно ниже, чем морской, поэтому плавательные пузыри пресноводных рыб крупнее.

Существуют две основные модели используемых рыбами газовых емкостей. У одних плавательный пузырь полностью герметичен, и для заполнения его газом необходимо специальное устройство. У других соединен с пищеводом. Эти рыбы в любой момент могут избавиться от части газов, заполняющих пузырь, выплюнув их в воду, а если живут у поверхности, могут заполнять пузырь, заглатывая воздух. Для глубоководных рыб такой способ недоступен.

Далеко не все рыбы обладают плавательными пузырями. Это связано с их образом жизни. Не имеют воздушного поплавка донные рыбы. Чтобы спокойно отдыхать на дне, необходимо иметь отрицательную плавучесть. Не пользуются плавательным пузырем быстроходные хищники. В погоне за добычей им необходимо совершать стремительные всплытия и погружения. В этом случае самые совершенные насосы неспособны быстро приводить давление внутри пузыря в соответствие с внешним давлением, и емкость, наполненная газом, становится помехой.

Нет плавательного пузыря у глубоководных рыб. Предельная глубина, на которой случалось поймать рыбу с газовым поплавком, - 4000 метров. Газ в теле этих рыб должен находиться под давлением 400 атмосфер, чудовищная цифра для небольших слабеньких созданий! И хотя многие морские рыбы все же обзавелись плавательными пузырями, использование их на значительных глубинах встречает серьезные трудности.

Представьте себе, что рыба живет на глубине 1 километр, где давление достигает 100 атмосфер, и имеет здесь плавательный пузырь объемом 10 кубических сантиметров. Если она опустится еще на 100 метров глубже, где давление возрастет на 10 атмосфер, ее плавательный пузырь сожмется до объема 9 кубических сантиметров. Уменьшившийся пузырь теперь уже не сможет выполнять свои функции, и рыба будет вынуждена тратить много энергии, чтобы не пойти камнем на дно или добыть еще 110 кубических сантиметров газа, сжать его под давлением 110 атмосфер до 1 кубического сантиметра и восстановить нейтральную плавучесть.

Еще опаснее для рыбы подниматься в более поверхностные слои. По мере падения давления воды газы плавательного пузыря начнут расширяться, объем его увеличится, и он потащит рыбу наверх. Если она зазевается и поднимется слишком высоко, то уже не сможет преодолеть подъемную силу собственного газового поплавка, будет выброшена на поверхность и вывернута наизнанку, а может быть, просто лопнет. Из этого положения есть лишь один выход - освободиться от излишков газа. Однако, возвращаясь обратно на глубину, рыба будет вынуждена снова заниматься его добычей и восстановлением в плавательном пузыре необходимого давления. Большая и трудоемкая работа.

В плавательных пузырях рыб и других обитателей океана содержатся те же газы, что и в атмосферном воздухе, но часто в иных соотношениях. У некоторых из них там находятся инертные газы, которые присутствуют в воздухе в концентрации не выше десятых или даже сотых долей процента. Европейская ряпушка и многие другие рыбы наполняют свой плавательный пузырь азотом. Однако чаще всего используется кислород, и это понятно, ведь все водные организмы вынуждены заниматься извлечением этого газа из воды и снабжением им всех органов своего организма. Манипуляции с кислородом - дело привычное.

Заполнение газом плавательного пузыря обеспечивает железа, расположенная непосредственно в его стенке. Она хорошо заметна благодаря ярко-красной окраске. Железа лишь помогает выделяться газу, содержащемуся в крови, но сама его не вырабатывает. У рыб она продуцирует молочную кислоту. Попадая в кровяное русло, кислота нарушает связь кислорода с гемоглобином и снижает растворимость газов в плазме крови. Мгновенно кровь наполняется большим количеством свободного кислорода, и он начинает выделяться в плавательный пузырь.

Газовая железа хоть крохотный орган, но обеспечивает образование огромных количеств газов, Нашей рыбе с объемом плавательного пузыря, равным 10 кубическим сантиметрам, обитающей на глубине 1 километр, нужен 1 литр газа, так как при давлении в 100 атмосфер объем его уменьшится в 100 раз. Добыть необходимое количество газа полдела, труднее закачать его в плавательный пузырь под должным давлением. Это осуществляет умножающая система. Она позволяет преодолевать огромные давления океанских глубин.

Умножающая система получила название чудесной сети. Ее основой являются кровеносные сосуды. Кровь поступает к газовой железе по специальной артерии, но прежде чем войти в саму железу, она распадается на громадное количество капилляров, а затем снова сливается в один сосуд. Вена, войдя в железу, так же делится на мельчайшие сосуды, проходящие сквозь частокол артериальных капилляров, а затем собирающиеся в общую вену. Необычным в чудесной сети являются капилляры. Во-первых, они здесь не извитые, как в остальных органах, а прямые на всем своем протяжении. Во-вторых, они необычайно длинны. У всех животных, кроме рыб, самые длинные капилляры до 0,5 миллиметра можно увидеть в мышцах. Длина капилляров чудесной сети измеряется целыми миллиметрами. Особенно длинны они у обитателей глубин. Рекорд держат представители бротулевых рыб, ленточные бассоцетусы, имеющие капилляры длиною до 2,5 сантиметра!

Чудесная сеть работает как настоящий насос, нагнетающий в плавательный пузырь газ и поднимающий в нем давление до необходимого уровня. Но вернемся к рыбе, которая с глубины 1 километр опустилась еще на 100 метров, где сжавшийся плавательный пузырь перестал выполнять свою функцию. В этой ситуации тотчас начинает работать газовая железа, выделяя молочную кислоту, что приводит к резкому повышению содержания в крови кислорода. Однако его напряжение еще не столь велико, чтобы он стал покидать кровь и проникать в плавательный пузырь, преодолевая огромное давление, существующее в нем на этой глубине.

Но оттекая от газовой железы, венозная кровь проходит по венозным капиллярам, тесно соприкасающимся с артериальными, где течет кровь, содержащая кислород под давлением всего 0,2 атмосферы (таково давление кислорода в морской воде на любых глубинах океана), поэтому кислород из венозной крови диффундирует в артериальную. В газовой железе к нему прибавляется новая порция газа, освобожденного из-под влияния гемоглобина. Эта процедура многократно повторяется, и газовая ловушка, не давая кислороду уйти с венозной кровью в жабры, наконец настолько повышает его напряжение, что он преодолеет барьер в 110 атмосфер и начнет проникать в плавательный пузырь, восстанавливая его прежний объем.

Чудесная сеть не только подкачивает в плавательный пузырь новые порции газа, но и предотвращает его утечку. Когда давление внутри плавательного пузыря велико, кислород отсюда начинает поступать в кровяное русло и растворяться в крови, но не выносится в воду, а тотчас же возвращается обратно, так как вся кровь, оттекающая от плавательного пузыря, пропускается сквозь газовую ловушку.

Чтобы понять, почему газовая ловушка-обменник работает так совершенно, представьте ее реальные размеры. У обыкновенного угря чудесная сеть весит всего 65 миллиграммов, но содержит около 100000 артериальных и такое же количество венозных капилляров по 4 миллиметра каждый. Их общая длина 800 метров, а поверхность стенок, через которые происходит диффузия газов, равняется 100 кубическим сантиметрам. По этой поверхности "размазано" всего 0,04 грамма крови! Ясно, что для свободной диффузии газов условия здесь превосходные. Теоретические расчеты показали, что при существующих размерах чудесной сети она должна обеспечить нормальное заполнение плавательного пузыря при любых давлениях вплоть до 400 атмосфер, то есть при погружении в воду на 4 километра.

Газовая ловушка по своей конструкции является обменником. Ее главное достоинство - высочайшая экономичность. Работа ловушки основывается на простой диффузии газов, то есть идет сама собою без затраты энергетических ресурсов организма. А мощность устройства чудовищна. Оно позволяет создавать давления в 400 атмосфер и обеспечивает герметичность, предотвращая утечку газов с кровью, омывающей стенки плавательного пузыря. Между прочим, утечки газов не происходит и через его стенки, что, видимо, связано с наличием тонких пластинок гуанина, препятствующих их диффузии.

У некоторых животных газовые поплавки несжимаемы. Емкости с твердыми стенками при всех своих минусах имеют над плавательным пузырем неоспоримые преимущества: они не требуют ни создания высокого давления, ни его постоянной регулировки. Уровень давления внутри такого баллона не имеет никакого значения. Плотность морской воды хотя и увеличивается с глубиной, однако не настолько, чтобы это могло серьезно сказаться на плавучести животного при его перемещении вверх или вниз на несколько сотен метров.

Газовыми емкостями из твердого материала пользуются моллюски. К числу умеющих плавать принадлежат жемчужные кораблики, или наутилусы, давшие название подводному кораблю капитана Немо. Их легкие, прочные и очень красивые перламутровые раковины используют для художественных поделок на всех побережьях Индийского океана. Спирально закрученная большая раковина наутилуса разделена внутри на крупные ячейки, заполненные газом. Моллюск живет в самой большой наружной ячейке. По мере своего роста хозяин раковины строит себе более просторное помещение, а освободившееся заполняет морская вода.

Сначала моллюск удаляет из нее натрий. Наутилус умеет осуществлять такие операции. Когда опреснение воды в ячейке закончится, автоматически включаются "осмотические помпы", выкачивающие воду, и камера одновременно заполняется газом. "Помпы" работают автоматически и не требуют специальных затрат энергии, так как приводятся в действие осмотическим давлением жидкостей. Поскольку у соленой воды оно значительно выше, чем у пресной, океан высасывает из раковин почти всю пресную воду, снижая в ее камерах давление, что ускоряет заполнение их газом, который находится здесь под давлением 0,9 атмосферы.

Более совершенным поплавком владеют каракатицы. У них от большой и тяжелой раковины, которой пользуются их ближайшие родственники, осталась небольшая пластинка, скрытая в тканях тела. Она выполняет функцию и скелета и плавательного пузыря. "Кость" каракатицы поражает невесомостью. На разрезе можно видеть, что она состоит из бесчисленного множества узких ячеек, высотою до 0,7 миллиметра, расположенных правильными слоями. У крупной каракатицы может быть до 100 слоев. Ячейки заполнены газом с обычным давлением около 1 атмосферы. Распорки между ячейками прочны и могли бы выдержать высокое давление, однако каракатицы, как и наутилусы, живут в верхних слоях океана и глубже 200 метров опускаться избегают, так как под действием высокого давления работа поплавка разлаживается.

Пока каракатица плавает у самой поверхности, в ячейках задней части "кости" находится совсем немножко пресной воды. Она просачивается из тела каракатицы под действием гидростатического давления. Чем глубже опустится животное и чем выше поднимется давление тканевых жидкостей его тела, тем больше воды будет сюда проникать. Ячейки воздушного поплавка очень скоро заполнились бы водой, если бы постоянно не работали "помпы", откачивающие ее обратно.

На больших глубинах у каракатиц и наутилусов работа "помп" нарушается. Дело в том, что осмотическое давление жидкостей, проникающих в ячейки, как бы создает отрицательное давление, равное 24 атмосферам. С этой силой океан "всасывает" воду из ячеек, пока каракатица плавает у поверхности. Если животные опустятся на глубину 240 метров, где гидростатическое давление поднимается до 24 атмосфер, произойдет уравнивание давлений, и "помпы" перестанут работать.

Газовый поплавок с прочными стенками ограничивает область обитания каракатиц и наутилусов всего двухсотметровым слоем, однако позволяет сохранять одинаковую плавучесть на любой глубине без дополнительной регулировки своего гидростатического устройства. Непродолжительные экскурсии эти моллюски совершают и на большие глубины, когда к этому их принуждают какие-либо обстоятельства, но там не задерживаются и при первой возможности поднимаются ближе к поверхности.

Мы познакомились здесь с основными механизмами, позволяющими водным организмам поддерживать положительную плавучесть. Вот как нелегко, оказывается, создать для них комфортные условия существования только по одному этому параметру. А сколько еще приспособлений должны иметь водные организмы, чтобы в воде чувствовать себя дома!