Гидравлика

Природа всегда стремится навязать любому органу дополнительные не свойственные ему функции. Как ни специфичны, ни ответственны задачи сердечно-сосудистой системы, даже она не избежала этой участи, уж слишком заманчиво было использовать давление, существующее внутри кровеносной системы.

Известно, что гипертония (значительное повышение кровяного давления) очень опасна для организма, так как может вызвать разрушение системы, разрыв кровеносных сосудов. Однако именно это явление природа сумела сделать полезным. Жабовидная ящерица, обитающая в мексиканских пустынях, использует для своей личной обороны местную гипертонию в сосудах головы.

В общем-то это не такое уж редкое явление в природе. Кровь, заполняя под большим, чем обычно, давлением гребни, шипы и иные выросты на голове и других частях тела, заставляет их увеличиваться в размерах, выпрямляться, менять окраску и тем самым придает животному страшный вид.

Жабовидные ящерицы этим не ограничились. Природа снабдила их удивительным приспособлением. В минуту опасности специальный мускул пережимает один из крупных кровеносных сосудов, что приводит к резкому повышению давления в кровеносных сосудах головы. При этом мелкие сосудики в мигательной перепонке глаз не выдерживают и лопаются, и кровь выбрызгивается прямо из глаз навстречу врагу. Неожиданный душ нередко обращает нападающего в бегство. Оружие действует в радиусе примерно полутора метров.

Другое назначение запирательного мускула – способствовать линьке. Рептилии растут почти всю жизнь. Жабовидные ящерицы каждый год меняют свою кожу. Освободиться от старой одежды бывает не легко. Вот тут-то на помощь и приходит запирательный мускул. Когда давление в сосудах головы повысится, все кровеносные сосуды, большие и маленькие, переполняются кровью и голова раздувается до тех пор, пока старая кожа на ней не лопнет. Дальнейшая процедура не сложна. Ящерица выползает из своей шкуры через образовавшееся отверстие, как из ворота комбинезона.

Сердечно-сосудистую систему использовать для дополнительных надобностей оказалось не очень удобно. Однако, изобретя насосы и сообщающиеся системы, природа решила заняться гидравликой всерьез. Прежде всего она, видимо, догадалась, что, нагнетая в полости и межтканевые пространства жидкость, можно значительно повысить тургор тканей, то есть придать им некоторую механическую прочность. Отсюда один шаг до создания гидростатического скелета.

Смешно сказать, но аналогичные конструкции начали использоваться человеком лишь в XX веке и до сих пор еще не получили достаточно широкого распространения. Особенно эффективно использование сжатого воздуха. Представьте себе колонну бульдозеров и вездеходов, пробившуюся сквозь тайгу к месту будущей стройки. В считанные часы расчищена площадка для поселка. Из машин выгружены не слишком громоздкие тюки, подключены насосные устройства, и через каких-нибудь полчаса на месте только что сведенной тайги вырос поселок из двухэтажных парусиновых домов, в которых все балки и другие несущие конструкции надувные. Удобно, быстро, дешево и, как ни странно, надежно. К тому же парусиновые дома могут быть достаточно теплыми, если их стены сделать также надувными из 2–3 слоев прорезиненной парусины.

Животным гидростатический скелет тоже очень удобен. Главное его преимущество в том, что он может создаваться только на тот период, когда нужен. А исчезнет в нем потребность, давление в системе можно понизить, и от скелета не останется и следа. Правда, по надежности гидростатический скелет не выдержал конкуренции с костным, и там, где опоры должны быть постоянными, он уступил место более прочным сооружениям. Зато где постоянный скелет не нужен, преимущество осталось за гидравликой. Природа пронесла это изобретение через всю эволюцию животного царства от самых примитивных существ до человека включительно. Примером тому служат пещеристые тела, в которых в качестве рабочей жидкости используется кровь.

Еще интереснее гидродинамические устройства. Они могут быть совсем примитивными или достигать значительной степени сложности. К числу простейших конструкций относятся выводные сифоны двустворчатых моллюсков. Эти животные добывают кислород и пищу, мельчайшие кусочки органического вещества, из воды, засасываемой в мантийную полость. Обогащенная углекислым газом и загрязненная экскрементами вода уносится через специальный сифон наружу. Моллюск, безусловно, заинтересован, чтобы отходы выбрасывались подальше и не попадали обратно в мантийную полость. Поэтому выводной сифон бывает достаточно длинным. Однако он не имеет специальной мускулатуры, чтобы вытянуться как можно дальше. Когда раковина закрыта и движение воды в мантийной полости прекращается, сифон спадается. Зато как только ток жидкости возобновляется, сифон под ее воздействием распрямляется и вытягивается.

Гидродинамические устройства в конечностях пауков выполняют двигательную функцию. Сгибание конечностей у этих восьминогих существ, каждая лапка которых состоит из 6–7 члеников, происходит, как и у всех прочих животных, за счет сокращения специальных мышц, а разгибание – из-за повышения давления внутри одетых в хитиновую броню конечностей.

Большое значение имеют гидродинамические устройства для рытья нор. Земляной червь при попытке вырыть норку во влажной почве (сухую червь увлажняет сам) максимально сокращает кольцевую мускулатуру своего переднего головного конца, превращая его почти что в острое шило, и ищет хоть малейшей щелки между частичками земли. Если это не удается, червь начинает забивать в землю передний конец, ударяя по нему изнутри глоткой, которая приводится в движение с помощью гидродинамического устройства. Повышение давления с 2 до 14 миллиметров водного столба позволяет наносить удар с силой 8,5 грамма. Внедрившись хоть немножко в почву, червь повышает давление в самой передней части тела, расширяя ее, а вместе с ней и проделанное отверстие. Многократно повторяя описанные выше движения, в не очень твердой почве червь прямо на глазах зарывается в землю. Еще энергичнее действуют сипункулиды, развивающие при рытье нор давление до 600 миллиметров водного столба.

К числу самых совершенных гидродинамических устройств относится двигательный аппарат иглокожих, который особенно хорошо развит у морских звезд и ежей, офиур и многих голотурий. Лучи морских звезд пронизаны симметрично расположенными лучевыми каналами, наполненными водянистой жидкостью. Веточки, отходящие от каналов, проникают в каждую из крохотных мускульных ножек, расположенных на нижней, ротовой стороне лучей. Во время движения жидкость нагнетается в ножки, которые при этом сильно набухают, вытягиваются вперед по направлению движения и с помощью присосок прикрепляются к грунту, после чего их мускулатура сокращается, выталкивая жидкость из каналов и немного подтягивая звезду вперед. Затем ножки отцепляются от субстрата, по которому ползет звезда, в них вновь нагнетается жидкость, и все повторяется сначала. Как видите, сердце не единственный насос, используемый природой для обеспечения важнейших жизненных функций организма многих животных.

Где достать дровишек?

Наша Земля, как и другие планеты солнечной системы, имеет очень неоднородный климат. Есть у нас такие заветные местечки в Антарктиде, где температура падает до

Есть водоросли, которые живут, размножаются и, по-видимому, прекрасно себя чувствуют в горячих источниках с температурой 70–90 градусов. Среди вечных полярных льдов также существует жизнь. Это поразительное открытие почти двести лет назад сделала экспедиция полярного исследователя Сосюра. Впрочем, удивило ученых тогда другое. Экспедиция обнаружила районы, где лежал кроваво-красный снег. Это зрелище даже у самых хладнокровных людей вызывало тревожное чувство.

Причина необычной окраски снега вскоре разъяснилась. Удалось установить, что виной тому микроскопические одноклеточные водоросли, покрывавшие его поверхность. Впоследствии эти водоросли, которым было присвоено название «хламидомонада снежная», находили в различных районах Арктики и Антарктики, в вечных снегах высочайших горных массивов, в том числе и у нас на Кавказе.

Сейчас ученым известно свыше 140 видов растений, постоянно живущих во льдах и снегах. Многие из них окрашены в фиолетовый, красный, коричневый или зеленый цвета и придают снегу соответствующую окраску.

Для того чтобы хламидомонада снежная успешно развивалась, нужно очень много солнечного света и достаточно холодная погода. Поэтому в больших количествах она встречается только в полярных районах и на горных вершинах. Исключительная холодостойкость снежных водорослей, вначале поразившая ученых, теперь никого особенно не удивляет. Гораздо интереснее их теплобоязнь. Хламидомонада снежная погибает от «жары» уже при температуре 4 градуса. Для нас с вами это очень холодно! Организмов с более сильной теплобоязнью, чем у хламидомонады, на Земле, видимо, нет.

Интересно, что один и тот же вид животных иногда может встречаться во всех климатических зонах: от полярных областей до экватора. У отдельных рас таких космополитов тепло– и холодоустойчивость бывают далеко не одинаковыми. Черви теребеллиды, живущие в Северном Ледовитом океане около Гренландии, гибнут от «жары» уже при температуре воды 6–7 градусов. Их южные собратья из Индийского океана легко переносят нагревание воды до 24 градусов.

Чемпионы среди теплолюбивых животных – рачки, живущие в очень теплых, слегка солоноватых озерах Аравийского полуострова. Они ужасно «мерзнут» уже при 35 градусах, а при дальнейшем понижении температуры гибнут от «холода».

Не все животные такие неженки. Обычно холод переносится легко. Споры и примитивные животные (коловратки и тихоходки) выживают при температуре, близкой к абсолютному нулю, то есть около

Почему же, несмотря на большую тепло– и холодоустойчивость многих животных, их активная жизнедеятельность возможна лишь в относительно узком диапазоне?

Температура определяет скорость движения молекул любых веществ, в том числе и тех, из которых построено тело животных. Чем температура ниже, тем скорость движения молекул меньше, и, следовательно, тем медленнее идут химические реакции, пока их скорость не понизится настолько, что активная жизнедеятельность станет невозможной. Это происходит при температуре образования льда: основные химические реакции в организме идут в водных растворах.

Верхний предел переносимых температур зависит от устойчивости белков и жиров. Уже при нагревании выше 40 градусов они настолько изменяются, что клетки гибнут. Вот поэтому все животные стремятся к оптимальным для них температурным условиям. Достигают они этого по-разному.

Как известно, на земле существуют пойкилотермные (холоднокровные) животные, температура тела которых зависит от температуры окружающей среды. В холодную погоду им приходится подчас прибегать к очень замысловатым способам, чтобы как-то обогреться.

Высшие животные (гомойотермные, или теплокровные) изобрели универсальный способ поддержания температуры своего тела, специально вырабатывая тепло.

Впрочем, это делает любая клетка тела любого организма, если она активно участвует в обмене веществ. Такая клетка хоть на тысячную долю градуса всегда теплее окружающей ее среды. Поэтому не совсем верно утверждение школьных учебников, что температура тела у холоднокровных животных такая же, как в окружающей среде. Естественно, что маленькие животные и тепла вырабатывают мало и быстро отдают его в окружающую среду. Тут очень трудно заметить, что животное теплее среды. Зато у крупных и тепла вырабатывается больше и оно дольше сохраняется. Маленькая форель, живущая в прокладной воде горных ручьев, всего на 0,012 градуса теплее воды, а температура тела у крупного тунца или макайры значительно, не меньше чем на 6 градусов, выше температуры воды.

Для пойкилотермных животных самый простой способ согреться – подыскать для себя местечко с подходящим микроклиматом. Когда становится холодно, они прячутся в норах, ищут убежища на дне глубоких водоемов, а некоторые сами творят для себя микроклимат. На это способны даже растения. Известно, что в лесу климат мягче, чем на соседних полях.

Долгое время ученых мучила загадка: как удается снежным водорослям, о которых шла речь, поддерживать высокий уровень обмена веществ и интенсивно размножаться при низких температурах? Откуда они черпают для этого энергию? Таким свойством не обладают другие организмы на нашей планете.

Недавно выяснилось, что снежные водоросли сами создают для себя благоприятную обстановку. Они не разбросаны по снегу в одиночку, а живут крохотными колониями. В солнечную погоду темные скопления водорослей нагреваются, снег вокруг них подтаивает и каждая колония оказывается в миниатюрной ямке. Очень часто вода на поверхности замерзает, и ванночка с водорослями оказывается прикрытой сверху тонкой корочкой льда. Образуется маленький парничок, где может поддерживаться температура около нуля.

Однако не только повышение температуры до нуля градусов обеспечивает водоросли благоприятные условия существования. Ученые предполагают, что хламидомонады снабжены устройством, работающим аналогично полупроводниковым электрическим батареям. Для получения электрического тока необходимо, чтобы одна часть полупроводникового прибора была нагрета, а другая охлаждена. Чем значительнее будет отличаться их температура, тем больше будет получено электроэнергии.

У снежных водорослей происходит то же самое. Одна сторона нагрета солнцем, другая сильно охлаждается. Видимо, это и обеспечивает водоросли необходимой для их жизнедеятельности энергией.

Богатые урожаи снежных микроорганизмов не пропадают впустую. Раз есть корм, всегда найдутся и его потребители, даже в Антарктиде. Этот материк представляется нам огромной мертвой страной, покрытой километровыми толщами льда, где 10–11 месяцев в году свирепствуют жестокие морозы и снежные бури и лишь на 1–2 месяца жестокие холода сменяются более слабыми морозами. Мы привыкли думать, что немногие обитатели этого континента: тюлени, пингвины и несколько видов птиц живут вблизи океана, а весь остальной материк абсолютно безжизненный. Это не совсем верно. За годы изучения Антарктики ученые обнаружили в ее вечных снегах около 50 видов насекомых и других животных. Жизнь проникла далеко в глубь этого сурового материка.

Рекордсменом по дальности оказался крохотный паучок, которого нашли сотрудники английской экспедиции всего в 500 километрах от Южного полюса. Этот паучок живет в водорослевогрибных садиках. Если колонии водорослей расположены рядом, парнички сливаются, образуя целую систему подснежных оранжерей. В них-то и поселяются паучки.

В оранжереях много корма, значительно теплее, чем на ветру, да и сам жилец одет в темную рубашку, которая на солнце неплохо прогревается. Когда же короткое полярное лето кончается, паучок впадает в спячку.

Лучистой энергией солнца пользуются и другие животные. Насекомые, обитающие в полярных областях и высокогорных районах, носят темную одежду, хорошо поглощающую тепловые лучи. Поэтому в солнечную погоду температура тела таких насекомых значительно выше температуры окружающего воздуха.

Другие животные научились регулировать количество получаемого тепла. Это очень важно, ведь в солнечные дни может возникнуть опасность перегревания. У многих земноводных и пресмыкающихся в коже есть специальные пигментные клетки, способные изменять свой размер. Когда пигментные клетки малы, цвет кожи остается светлым и она отражает солнечные лучи. При расширении пигментных клеток окраска кожи резко темнеет, значительно лучше поглощает солнечные лучи, и тело животного нагревается, но только до известного предела. При малейшем перегреве пигментные клетки вновь сжимаются, и дальнейшее нагревание прекращается.

Иначе поступает перламутровка. Этой бабочке необходимо, чтобы температура ее тела была 32,5–35,5 градуса. В солнечную погоду бабочка поддерживает такую температуру довольно точно, независимо от температуры воздуха. Основной тепловоспринимающей поверхностью ей служат крылья. Наиболее сильное нагревание происходит, когда крылья полностью раскрыты и направлены перпендикулярно к солнечным лучам. Чем меньше угол облучения, тем нагревание меньше. Терморегуляция у бабочек осуществляется благодаря изменению положения крыльев. Пока температура тела низка, крылья расположены так, чтобы происходило их максимальное нагревание. Когда температура тела достигает 35 градусов, бабочка начинает двигать крыльями и делает это до тех пор, пока не найдет такого положения, при котором дальнейшее нагревание прекратится.

Этим же принципом пользуются термиты при строительстве своих жилищ. Обычно вызывает удивление, почему живущие в земле и ведущие скрытый образ жизни насекомые сооружают такие заметные гнезда. Оказалось, что в земле им недостаточно тепло. Некоторые термиты, обитающие в особенно жарких странах, строят очень высокие, но плоские термитники, обращенные ребром на юг. В полдень, когда солнце особенно горячо, его лучи скользят по их постройке и перегрева не происходит, зато в остальное время дня, с восхода и до самого заката, солнечные лучи падают на боковые стенки, согревая гнездо.

Теплокровные животные обладают способностью сохранять постоянной температуру своего тела, не прибегая к помощи солнца. В холодную погоду они вырабатывают много тепла, а в жаркую умеют отдавать его излишки в окружающую среду. Впрочем, к повышению температуры животные нашей планеты приспособлены хуже, чем к холоду.

Мороз многие из них переносят легко. Разница между температурой тела и температурой окружающей среды может превышать 80 градусов, а животные будут поддерживать постоянство своей температуры. Особенно много подобных животных можно найти среди представителей арктической фауны. Например, температура тела белой куропатки равна 43 градусам; куропатка сохраняет ее и при сорокаградусном морозе.

Чтобы не замерзнуть, у теплокровных животных есть много приспособлений. Когда температура воздуха понижается, начинают действовать механизмы, усиливающие теплоизоляцию организма. В первую очередь сжимаются кожные сосуды, кожа становится холодной и меньше отдает тепла. Шерсть и перья встопорщиваются, между шерстинками становится больше воздуха, а ведь неподвижный воздух после вакуума самый лучший теплоизолятор. Кстати, эта милая привычка топорщить перья сохранилась и у человека. Когда мы мерзнем, у нас появляется гусиная кожа, причем остатки волос, те крохотные волоски, что еще сохранились на нашем теле, становятся дыбом. К сожалению, теплее нам от этого не бывает.

Если принятые меры не дали нужных результатов и охлаждение не прекратилось, возникает дрожь. Она совсем не бесполезна, как можно было бы думать. Мышечные сокращения сопровождаются выделением значительного количества тепла, поэтому с появлением дрожи значительно увеличивается теплопродукция.

Дрожать умеют только теплокровные животные, зато к работе мышц для увеличения производства тепла прибегают очень многие. Вот один из примеров. Как известно, рептилии не проявляют особого интереса к судьбе своего потомства. Исключений из этого правила очень немного. Об одном из них ученые знали уже давно. Самки некоторых видов крупных питонов, отложив яйца, не уползают прочь, а, обвившись кольцами вокруг них, несут караул до тех пор, пока не вылупятся змеята.

Конечно, на такого сторожа немногие рискнут напасть, слишком опасна наседка, но оказалось, что дело совсем не в этом. Самка питона охраняет свои яйца не столько от врагов, сколько от холода. Это может показаться неправдоподобным, ведь всем известно, что змеи животные хладнокровные. Однако такое представление не совсем верно. Если змея немного «побегает», то даже она может слегка согреться. Когда температура воздуха достаточно высока, питон лежит неподвижно, но как только станет холоднее, у него начинает работу поперечная мускулатура (при этом тело змеи то становится тонким, то опять утолщается). Питон трудится со всей силой, на которую способен (а силой он обладает не маленькой), пока не согреется сам и не согреет яйца. Вот какие удивительные бывают наседки.

Этот же способ используют насекомые. Они неспособны летать, пока не согреются. Бабочка ванесса в этом случае машет крыльями и даже в прохладную погоду, при температуре всего лишь в 10 градусов, за несколько минут умудряется согреться до 35, а во время полета ее температура достигает 37, совсем как у теплокровных.

При усиленной работе мышц выделяются значительные количества тепла, но одного дрожания теплокровным животным бывает недостаточно, и поэтому одновременно повышается обмен веществ, а следовательно, резко увеличивается химическая теплопродукция.

Пойкилотермные животные тоже иногда могут повышать свой обмен, но происходит это у них гораздо проще. Они начинают усиленно питаться, больше «сжигают» корма, создавая больше тепла. Самый разительный пример – пчелы. Каждая отдельная пчела, как и любое другое насекомое, не может поддерживать температуру своего тела. Но пчелиная семья, как целостный самостоятельный организм, теплокровна. Пчелы в отличие от остальных насекомых на зиму не засыпают. Брошенные в своих маленьких домиках на произвол снежных вьюг, они и в зимнюю стужу при

«Клуб» создается с наступлением зимних холодов. Как только температура наружного воздуха понизится, пчелы собираются вокруг ползущей по сотам матки в большой плотный шар. Пчелы, находящиеся внутри, поближе к матке, усиленно питаются, «сжигая» много высококалорийного меда, и выделяют при этом массу тепла. Пчелы наружных слоев шара согреваются этим теплом и, сбившись в плотную массу, не дают остывать своим сестрам. Когда же мерзнуть им становится невмоготу, они расталкивают своих соплеменниц и пробираются внутрь, обнажая лежащий под ними пчелиный слой. В таком однообразном движении проводят они всю зиму, съедая за это время не один килограмм меда.

Особенно много тепла у пчел выделяют личинки. И не мудрено. Кормилицы кормят своих подопечных около 1300 раз в сутки. Однако в холодную погоду разбросанные по отдельным ячейкам личинки обогреть себя не в состоянии, и, чтобы расплод не погиб, а для его существования температура в гнезде должна равняться 35 градусам, рабочие пчелы плотным слоем собираются на сотах, собственными телами предохраняя личинок от холода. Если и этого недостаточно, наседки, тесно сгрудившись, начинают переминаться с ноги на ногу, взмахивают крыльями и дрожат, стараясь повысить температуру своих тел и спасти расплод.