От весла до ракеты

Прежде чем мы узнаем, как плавают морские животные, давайте познакомимся с тем, какую позу они предпочитают принимать во время странствий в просторах океана. Существа, имеющие нейтральную плавучесть, должны чувствовать себя в воде, как в невесомости. Недаром в программе подготовки будущих космонавтов большое внимание уделено тренировочным упражнениям в воде.

Те, кому посчастливилось с помощью акваланга нанести визит в подводное царство, смогли оценить это на собственной практике. Они наверняка были очарованы возможностью зависать в толще воды в самых неестественных для человека позах, в том числе и вниз головой.

Мне непонятна приверженность обитателей океана к тем же позам, какие вынуждены принимать при движении в пространстве сухопутные существа. Рыбы и морские змеи, крупные ракообразные и живущие в океане млекопитающие, как правило, способны принимать в воде любые позы, однако предпочитают плавать головою вперед и брюхом вниз. Безусловно, из этого правила бывают исключения. Правда, морские рыбы избегают плавать кверху брюхом, хотя среди их пресноводных родственников встречаются и подобные оригиналы. В океане так ведут себя или существа достаточно примитивные, в том числе немногочисленные здесь жаброногие ракообразные, или высшие представители позвоночных - настоящие тюлени.

Лучшие пловцы из числа головоногих моллюсков - кальмары и каракатицы, а также некоторые представители десятиногих раков, в том числе креветки, когда у них возникает причина поторопиться, стремительно уносятся задом наперед.

Чтобы передвигаться в пространстве, животные должны иметь соответствующие устройства. Для их создания природа воспользовалась всего тремя принципами. Наиболее распространенным является ундулирующий тип движителя, то есть плавание с помощью волнообразных движений тела или специальных органов. Он встречается у представителей всех классов животных, овладевших техникой целенаправленного передвижения, и для многих одноклеточных из числа спирохет, для различных червей, миног и миксин, костистых и хрящевых рыб, некоторых рептилий, китов и дельфинов, ламантин, дюгоней и тюленей является основным или даже единственным способом передвижения.

При ундулирующем способе передвижения передняя часть животного обычно сохраняет неподвижность, а задняя волнообразно изгибается, причем чем дальше от головы, тем амплитуда волн становится больше. Чаще всего изгибы тела направлены вправо и влево от его оси, реже вверх и вниз, что свойственно морским млекопитающим: китам, дельфинам, ламантинам и дюгоням. Это облегчает животным всплытие к поверхности для дыхания и следующее за ним погружение.

Совершенно очевидно, что пловцу необходимо иметь гибкое тело и хорошо развитую мускулатуру. Если судьба обделила его гибкостью, приходится обзаводиться плавниками. Здесь имеются в виду такие плавники, которые невозможно использовать как весла. Если они располагаются в горизонтальной плоскости, тогда их бывает не менее двух по бокам тела животного, как это принято у скатов и кальмаров, а если в вертикальном, рыбы иногда ограничиваются одним плавником, чаще всего спинным, как это в моде у сельдяных королей.

При ундулирующем типе плавания поступательное движение возникает благодаря тому, что при прохождении волны от головы к хвосту передняя (если ориентироваться по направлению движения) косая поверхность волнообразно изогнутого тела встречает сопротивление воды и как бы отталкивается от нее, сообщая телу некоторую направленную вперед тяговую силу.

В конструкции ундулирующего движителя преобладают две тенденции. Приспособлением для длительных неторопливых заплывов на марафонские дистанции является длинное и гибкое во всех своих отделах тело, какое бывает у морских змей. Это позволяет использовать все тело, всю мускулатуру, и движитель будет иметь высокий коэффициент полезного действия, но окажется неспособным обеспечить большую скорость.

У быстроходных существ передняя часть тела имеет высокую "жесткость", а подвижная отодвигается как Можно дальше к его концу, и функция передвижения Целиком передается хвостовому плавнику. Такая конструкция тела позволяет развивать большую скорость и при этом не мешает оставаться стайером. Чтобы обеспечить гибкость, рыбы освободили хвостовую часть тела от панцирных пластин, а часто и от чешуи, создающей дополнительное трение, как это наблюдается у меч-рыбы и у некоторых рыб семейства скумбриевых.

Совершенно очевидно, что скорость движения зависит от амплитуды и частоты движений плавников, от их площади и формы. Для достижения больших скоростей желательно, чтобы рабочая поверхность была большой и плоской. Она сильнее отталкивается от воды, чем выпуклая.

Скорость движения составляет следующую часть скорости распространения локомоторной волны:

для крохотных спермиев морского ежа всего 0,2,

для морских немертин - 0,3,

для акул - 0,5,

для макрели - 0,55,

для трески, карася, ужа - 0,7.

При этом коэффициент полезного действия движителя для спермиев морских ежей достигает 60, для угревидных рыб - 80, для рыб, передвигающихся с помощью взмахов хвоста, - 75-80 процентов, а для ужа даже 85. Для поддержания прямолинейности движения необходимо, чтобы на теле укладывалось не меньше одной локомоторной волны, иначе животное будет "рыскать" из стороны в сторону, что неизбежно отразится на скорости движения.

У хорошо плавающих животных, от рыб до млекопитающих, задний хвостовой конец тела снабжен плавником. Он создает движущую силу и помогает сохранять или, наоборот, менять направление движения, а также способствует улучшению обтекаемости тела. Животные, передвигающиеся с помощью хвоста, пользуются плавниками трех основных видов. Их конфигурация может многое рассказать об образе жизни этих животных.

Самые тихоходные рыбы имеют округлый плавник, как у самок гуппи, обычных аквариумных рыбок. В море такими плавниками пользуются донные рыбы и те, что живут возле скал и коралловых рифов: рыба-жаба, различные бычки, зубатки, нототении, удильщики, рыбы-клоуны, иглобрюхи и кузовки, камбалы, морские собачки. При движении этих рыб турбулентных вихрей вблизи их тела не образуется. Однако если бы они смогли значительно увеличить свою скорость, в районе хвостового плавника возникла бы турбулентная зона. Для большинства рыб она имела бы форму равнобедренного треугольника с вершиной, лежащей вблизи окончания позвоночного столба, и основанием, располагающимся перпендикулярно к позвоночнику рыбы. Турбулентность серьезно снизила бы эффективность работы плавника.

У более быстроходных животных хвостовой плавник приобретает двухлопастную форму. У них как бы вырезана (причем вырезана, так сказать, с гаком) та зона, где при значительной скорости возникла бы зона отрыва пограничного слоя воды. Поэтому турбулентность возникает позади рыбы и не может существенно сказаться на ее скорости. Если построить ряд из рыб в соответствии со скоростью их передвижения, станет очевидным, что сначала была ликвидирована округлость хвоста. Такое впечатление, что его аккуратно подровняли. У более расторопных рыб на хвосте появляется неглубокая выемка, а у действительно быстроходных созданий она становится глубокой.

Углубление выемки плавника и одновременное уменьшение его площади выгодно лишь до определенных пределов, так как одновременно снижается коэффициент его полезного действия. Из возникшего противоречия имеется простой выход: лопасти плавника начинают увеличиваться вверх и вниз. При этом он остается двухлопастным, но срединный вырез его сглаживается или исчезает совершенно. В конечном итоге лопасти плавника превращаются в узкие полоски, расположенные почти перпендикулярно к продольной оси тела животного (такую форму имеют хвосты быстроходных рыб - корифен, тунцов, парусников, меч-рыбы, а также китов, ламантин, Дюгоней). При этой конструкции плавника они способны развивать большую скорость: акула-катран - 12, белуга - 14, черноморская ставрида - 22, большая барракуда - 44, тунец желтоперый - 65, пеламида-ваху - 87, парусник - 110, черный марлин и меч-рыба - 130 километров в час. У многих хищных рыб, у судака, трески, пикши, морского окуня, которым, казалось бы, необходима расторопность, хвостовой плавник не отличается глубоким вырезом. Там, где нужно мгновенно разогнаться для короткого молниеносного броска, пользуются нерасчлененными плавниками. Только они способны обеспечить значительное ускорение.

Для использования ундулирующего принципа размер животных не имеет значения. Им с успехом пользуются и гиганты животного царства - киты, и самые крохотные существа - одноклеточные организмы. Малюсенькие пловцы передвигаются, изгибая свое тело или реснички и жгутики.

По жгутикам, как и по рыбьим хвостам, бегут плоские или спиральные волны, причем они могут двигаться как от основания к его концу, так и в обратном направлении, и тогда подобный виртуоз пятится назад. Лучше всего работа микродвигателей изучена у спермиев морских животных: полихет, морских ежей, асцидий. Длина волн хвостиков сперматозоидов колеблется от 20 до 25 микрон, амплитуда волн от 4 до 5 микрон, а их частота от 25 до 35 герц. Движения хвоста позволяют спермию двигаться со скоростью 100-200 микрон в секунду.

Жгутиков может быть несколько (2, 4, 8), но это не меняет существа дела, конечно, если они сконцентрированы на одном полюсе тела клетки и направлены в одну сторону. Работа жгутиков чаще всего упорядочена, что позволяет поступательное движение сопровождать вращательным. Прекращение на одной из сторон тела работы одного или нескольких жгутиков вызывает поворот в эту же сторону. Скорость передвижения одноклеточных зависит от длины жгутиков, их количества, от амплитуды и частоты колебательных движений, а также от размеров их тела. Головка спермия морского ежа на 15 процентов снижает скорость, которую мог бы развить изолированный хвостик, а у одножгутиковых флягеллят с очень крупным телом оно снижает скорость на 70 процентов.

У инфузорий и других простейших тело покрыто короткими ресничками. У среднего по величине одноклеточного существа их может быть 10-20 тысяч. Если они разбросаны равномерно по всей поверхности тела, свободной от "панциря" или раковины, это значит, что их владелец неплохой пловец. Когда нормальные по величине и подвижности реснички покрывают лишь одну сторону тела, можно думать, что их обладатель умеет ползать и предпочитает жить на твердом субстрате.

Реснички значительно короче тела животного и существенно меньше жгутиков. Их слаженные волнообразные колебания сообщают животному вполне приличную скорость. Нередко реснички совершают более сложное движение, получившее у зоологов название гребного удара. В этом случае движение делится на две фазы: рабочую и возвратную.

Рабочее движение происходит с большей скоростью, чем возврат реснички в исходное положение. Обычно наблюдается волнообразное изгибание основания реснички, при котором она отклоняется назад, совершая гребной удар. Возврат к исходной позиции осуществляется за счет прохождения волны от кончика реснички к ее основанию. Передвижение с помощью гребных ударов позволяет развивать удивительно большие скорости - до 2-3 миллиметров в секунду. Реснитчатые инфузории за 1 секунду покрывают расстояние, в 10-15 раз превышающее длину своего тела. Если бы на это были способны легковые машины, их скорость достигала бы 200-250 километров.

У многих одноклеточных реснички сосредоточены на ограниченной части тела. Морские кувшинчики, живущие в прозрачных домиках, приводят в движение свой корабль с помощью венчика ресничек, высовывающихся из отверстия кувшинчика. С их помощью они не только загоняют пищевые частички в кувшинчик, но и движутся в воде задом наперед.

Второе место по частоте использования занимает весельный способ передвижения. Им пользуются все животные, имеющие развитые конечности: ракообразные, рыбы, рептилии, млекопитающие и птицы.

У ракообразных отличные весла получаются из усиков. Некоторые ракообразные способны грести всеми грудными и брюшными ножками и похожи на миниатюрную модель гребной галеры. У эвфаузиид одноименные плавательные ножки правой и левой сторон тела с помощью крючковидных шипов сцепляются между собою, что позволяет им осуществлять одновременный, строго синхронный весельный удар. Позвоночные пользуются двухвесельными движителями. У рыб в весла превращены грудные плавники, у ушастых тюленей - передние ласты. А морские черепахи гребут преимущественно передними лапами.

Весельный движитель - двухтактный. Первый такт - холостой ход, подготовка к рабочей фазе. У позвоночных животных это отведение "весла" вперед ребром или в сложенном положении, как поступают со своими лапками птицы. Второй такт - рабочий ход, во время которого "весло" переводится в заднее положение. При этом рабочий элемент максимально расширен и своею наибольшей поверхностью обращен в противоположную от движения животного сторону. Часто оба весла движутся одновременно, а весельный движитель продуцирует пульсирующую движущую силу, возникающую лишь во время более короткого второго цикла.

Немало животных используют брюшко как весло. Резко сгибая и разгибая брюшко и отталкиваясь им от воды, планктонные эвфаузииды совершают стремительные прыжки вперед или назад. Пользуются брюшком креветки. Антенны и грудные ножки во время движения прижаты к телу, что уменьшает трение, а когда креветки хотят зависнуть в толще воды, они принимают вертикальную позу, расправляют парашют - длинные антенны и внутренние ветви грудных ног, но так как этого оказывается недостаточно, неторопливо подгребают брюшными плавательными ножками и наружными ветвями грудных ног.

Неплохих пловцов можно найти и среди крабов. У представителей семейства крабов-плавунцов на пятой паре грудных ножек уплощены последние членики, используемые как рабочие лопасти гребного винта. Когда плавунцы отправляются в плаванье, пятая пара грудных ног работает как пропеллер, то есть совершает взмахи перпендикулярно к направлению движения животного. Это позволяет им развивать скорость до 4 километров в час. Интересно, что плывут крабы боком!

Третья разновидность движителей использует гидрореактивный способ. Сила тяги возникает за счет воды, с силой выбрасываемой из "сопла". Этим способом пользуются медузы. Ритмически сокращая мускулатуру колокола и выталкивая из-под него воду, они плывут короткими толчками. Сходным способом владеют гребешки, чьи крупные раковины курильщики используют под пепельницы. У этих двухстворчатых моллюсков округлая раковина и прямой замочный край. Сильный мускул-замыкатель позволяет резко захлопывать ее створки. При этом вода из раковины выталкивается и гидрореактивный удар подбрасывает "летающее блюдечко". Энергично открывая и захлопывая раковину, гребешок совершает прыжки длиною до 50-70 сантиметров. Очередной прыжок совершается раньше, чем раковина коснется грунта.

Прекрасным водометным движителем владеют аппендикулярии. Для жилья они строят подводное "судно". "Подлодка" имеет заостренный спереди нос. В передней ее части находятся два водозаборных отверстия, перекрытых частой решеткой. Через них внутрь "судна" поступает вода. В задней части корпуса "подводной лодки" находится водометное отверстие. Двигателем служит хвост животного. Его волнообразные движения создают внутри корпуса "судна" ток воды. Она засасывается через передние отверстия, фильтруется и с силой выбрасывается из заднего отверстия, создавая движущую силу.

У оболочников, к которым относятся и аппендикулярии, гидрореактивные движители в большом почете. Огнетелки - коллективные существа. Они образуют свободноплавающую колонию, имеющую форму цилиндрической ракеты с широким соплом на заднем конце. Каждый живой член колонии, использованный на построение стенки цилиндра, является крохотным насосом. Уложенные в один "кирпич", они своими телами образуют стенки "ракеты". Ротовые сифоны отдельных пиростомок обращены наружу, а отверстия клоак открываются внутрь "ракеты". Члены колонии набирают в полость тела забортную воду и, сокращаясь почти одновременно, закачивают ее в полость "ракеты". Оттуда вода выбрасывается наружу, а "ракета" плывет в противоположную сторону.

Самым совершенным гидрореактивным движителем владеют головоногие моллюски: осьминоги, каракатицы и кальмары. Осьминоги - прирожденные пешеходы, а умение плавать необходимо лишь глубоководным. Приспособление для плавания у них далеко от совершенства. Их "руки", окружающие ротовое отверстие, почти до самых кончиков покрыты перепонкой, которая образует солидный "кринолин". В такой "юбке" животное напоминает медузу, несущую на своем куполе небольшое тело осьминога. "Кринолин", сжимаясь, выбрасывает находящуюся под ним воду и вновь превращается в большой колокол, запасая воду для следующего толчка. Он предназначен как для передвижения, так и для охоты. Расширяясь, "кринолин" способствует быстрому поступлению туда воды со всеми находящимися в ней живыми существами, которые в ее струях теряют устойчивость (глубоководные организмы не имеют опыта борьбы с движением воды) и по инерции попадают владельцу "кринолина" прямо в рот.

Основным движителем кальмару служит находящийся на животе мантийный мешок, образованный специальной кожной складкой, в котором находятся жабры. Сюда же сливаются все нечистоты. Заполненная водой мантийная полость составляет ¹/₃ тела животного. На брюшной стороне, возле того места, где у позвоночных животных шея, находится щель, ведущая в мантийную полость. В нее вставлено сопло ракетного движителя. Благодаря наличию кольцевых мышц владелец подводной "ракеты" имеет возможность регулировать диаметр его жерла. Заполнение мантийной полости забортной водой происходит через длинную мантийную щель. Чем больше щель, тем меньше времени затрачивается на эту процедуру и тем в более частом ритме может работать водометное устройство.

Когда мантийная полость заполнена, щель закрывается. Герметичность обеспечивает запорное устройство. По одному краю щели располагаются хрящевые грибовидные бугорки. На другой стороне углубления. Шляпки бугорков входят в пазы и, как кнопки, застегивают мешок. Когда давление в нем превысит наружное, нижний край прорехи с силой прижимается к верхнему. Для воды остается единственный выход - сопло, откуда она выбрасывается с тем большей скоростью, чем сильнее кольцевые мышцы сжимают его и чем уже водометное отверстие. Заполняя мантийную полость и выбрасывая 5-6 раз в секунду тугую струю воды, уносится стая кальмаров от потревожившего их хищника.

Кальмары - быстроходные и высокоманевренные пловцы. Их обычная скорость - 30-55 километров в час. Чтобы ее обеспечить, струи воды должны вырываться из сопла со скоростью 50-100 километров. Кальмары способны плыть и головой вперед, и хвостом, и в любой момент резко изменить направление движения. Это достигается изменением положения сопла. Если воронка с соплом на конце вытянута вдоль тела, животное плывет вперед хвостом. Когда она изогнута в дугу на 180 градусов и направлена соплом назад, животное плывет головным концом вперед. Маневрировать животным помогает и пара ромбовидных плавников, находящихся в задней части тела. Поймать удирающего и постоянно меняющего курс кальмара - трудная задача для хищника. Благодаря совместной деятельности плавников и сопла кальмары умеют зависать в воде. При этом животное двигает плавниками, сопло работающего водомета направлено вниз, а тело находится под углом к поверхности воды, причем голова всегда бывает ниже хвоста. Если кальмары двигаются медленно, они используют совместное действие обоих своих движителей и плывут в наклонном положении, слегка приподняв ту часть тела, которая в данном случае выполняет функцию носа судна.

Главу о способах передвижения хочется завершить рассказом о попытках обитателей океана освоить воздушное пространство. Здесь уже говорилось, что с помощью энергичных движений хвоста эвфаузииды совершают в воде прыжки и даже способны выскакивать из воды. Хищным эвфаузиидам это помогает настигать добычу, а "травоядным" - спасаться от преследования.

Среди кальмаров нашлись более талантливые авиаторы, способные совершать планирующий полет, покрывая по воздуху немалое расстояние. Таких умельцев около 10 видов. Дальность полета ограничена весовыми характеристиками их тел. Планировать может лишь мелюзга, животные длиной 20-25 сантиметров. Они умудряются подниматься в воздух на высоту 5-8 метров и легко покрывают расстояние в 50-60 метров. При попутном ветре дальность полета может увеличиваться в несколько раз. Согласно расчетным данным, чтобы оторваться от воды, предполетная скорость кальмаров должна достигать 70 километров в час, при этом скорость выброса воды из сопла - 100-120 километров.

НЛО

Более способными летунами оказались рыбы. Их около 50-60 видов. Название "летучие рыбы" не совсем точно отражает сущность дела. Их правильнее было бы назвать "планирующими". Только пресноводные рыбы-бабочки способны к активному машущему полету.

Летучие рыбы невелики ростом, от 15 до 25-35 сантиметров. Даже гигантская летучая рыба не длиннее 50. "Летающие" рыбы имеют необычайно большие грудные плавники. У наиболее способных летунов они достигают 80 процентов от длины тела и содержат большое число лучей, обладающих повышенной жесткостью. Они располагаются вблизи центра тяжести рыб, но несколько сдвинуты вверх, что в полете придает телу известную устойчивость.

Чтобы оторваться от поверхности воды, рыбам необходимо набрать высокую скорость. Полурыловые рыбы в освоении воздушного пространства как бы остановились на полпути. Они держатся у самой поверхности воды и при любой опасности выскакивают из нее, но невысоко, что все же помогает спасаться от хищников.

Некоторые полурылы, выскакивая на поверхность воды, полностью от нее не отрываются. Нижняя, наиболее крупная лопасть хвостового плавника остается в воде, и рыба, энергично работая ею, стремительно скользит над поверхностью, как судно на подводных крыльях, покрывая расстояние до 70 метров. Особое устройство задней части позвоночника позволяет хвосту под действием собственной тяжести свешиваться вниз и работать в таком положении. Летучему длиннорылу это позволяет резко увеличить скорость и, оторвавшись от воды, покрыть в планирующем полете 50-60 метров.

Самые лучшие авиаторы - четырехкрылые летучие рыбы. У них две пары несущих плоскостей, образованных грудными и брюшными плавниками. Малый вес достаточно большого тела, используемого как несущая плоскость, и огромная нижняя лопасть хвостового плавника из жестко соединенных между собой лучей, дольше всего остающаяся в воде, помогают подняться в воздух.

Разгоняясь в воде, рыбы, чтобы уменьшить лобовое сопротивление, прижимают грудные и брюшные плавники к телу и раскрывают их в воздухе. Перед взлетом хвост совершает 50-70 взмахов в секунду, а скорость достигает 30-35 километров в час. Отрыв от поверхности происходит благодаря последним энергичным взмахам нижней лопасти, и в воздухе скорость возрастает до 60-70 километров в час. Полет обычно продолжается около 2 секунд, при этом рыба поднимается в воздух на 6-7 метров и способна покрыть расстояние в 50 метров. Иногда воздушное путешествие продолжается 15- 30 секунд. Зоологи считают, что для полета необходим сильный попутный ветер или возможность время от времени восстанавливать постепенно падающую скорость. Действительно, рыбы многократно опускаются к поверхности, окунают в воду усиленно работающую нижнюю лопасть хвоста и вновь взмывают вверх. Это позволяет покрыть без малого полкилометра. Увы, полет такой длительности, к которому летучих рыб принуждают охотящиеся на них тунцы и корифены, не спасает их от гибели, так как хищники продолжают преследовать под водой, а в воздухе поджидают фрегаты.