Циклопедия скорбит по жертвам террористического акта в Крокус-Сити (Красногорск, МО)

Плавание животных

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Жук плавунец демонстрирует водные адаптации: обтекаемое тело, конечности, похожие на вёсла и т. д.
Силы, действующие на частично погруженное тело.
Схематическое изображение плавания рыбы.

Плавание животных (Плавучесть животных) — обитание животных в водной среде и их передвижение в ней. Жизнь зародилась и развивалась в океанах, поэтому данный вид движения является наиболее древним (наряду с ползанием по дну), потребовавшим появления мышц и других адаптаций к перемещению в воде, таких как обтекаемая форма[1].

Общие сведения[править]

Достоверно установленные активные пловцы из числе многоклеточных животных появились в раннем кембрии, это были членистоногие из группы динокариды. Тем не менее, появившиеся позднее рыбы стали настоящими лидерами в плавании благодаря многим адаптациям.

По закону Архимеда на водных животных, например рыб, действует выталкивающая сила равная весу объёма воды вытесненного животным. Вес зависит от объёма и плотности тела. Рыба состоит из тканей чуть более плотных чем вода. Тем не менее, рыбы не тонут в воде, так как их поддерживает плавательный пузырь заполненный газом, благодаря чему плотность рыбы равна плотности воды и она плавает. Выпуская из пузыря часть газа, рыба уменьшается в объёме и, следовательно, увеличивает свой удельный вес (и наоборот), — в объёме в зависимости от поднятий и опусканий рыбы, благодаря чему она всегда имеет удельный вес той среды, в которой находится, что существенно облегчает её движение[Прим. 1].

Наиболее эффективным приспособлением для поддержания нейтральной плавучести служит резервуар со сжатым воздухом. Плотность воздуха на уровне моря составляет 0,00125, что почти на 3 порядка величины меньше плотности водных и липидных жидкостей. Поэтому, небольшая камера, наполненная газом, даёт в смысле плавучести такой же эффект, какой даёт существенной более крупная камера, заполненная жидкостью. Так, плавательные пузыри у костистых рыб занимают меньше 5% объёма тела, в то время как для целомической жидкости кальмаров Cranchidae соответственная величина = ~ 65%.

Таким образом, чтобы избежать погружения на дно, требуется либо осуществлять движение (затрачивая энергию), либо снижать плотность (удельный вес). Известно 5 способов уменьшения тенденции к погружению и приближения к нейтральной плавучести: снижение количества тяжёлых веществ (таких как, карбонат или фосфат кальция); замена тяжёлых ионов (например, Mg2+ и S042-) ионами Na+, Cl-, Н+ и NH4+; удаление ионов без их замены (то есть разбавление жидкостей организма); повышение количества веществ более лёгких, чем вода, в первую очередь жиров и масел; применение полостей, наполненных газом (тех же плавательных пузырей у рыб)[2]. Другие пути — уменьшить количество костной ткани и степень её минерализации и т. д.

Когда рыба плывёт со скоростью 1 l/c (l — длина тела), мощность, необходимая для преодоления тенденции к погружению, составляет 60% всей мощности, расходуемой на движение. Но когда она плывёт со скоростью 10 l/c, на это тратится лишь 5% всей мощности.

В отличие от рыб морские беспозвоночные обладают лишь ограниченной способностью к осморегуляции. Кальмары имеют поплавок с менее плотной жидкостью. Целомическая жидкость, богатая хрористым аммонием (480 мМ NH4Cl), имеет плотность 1,010 (плотность морской воды = 1,026), обеспечивает кальмару нейтральную плавучесть.

Рудиментарная раковина каракатиц Sepia представляет собой двухфазный резервуар плавучести. Газовая фаза (в основном азот N) осуществляет уменьшение плотности. Жидкая фаза регулирует объём газовой фазы, и таким образом плавучесть каракатицы.

Неподвижные или малоподвижные формы (планктон, яйца животных), могут сохранять гидростатическое равновесие регулируя свою плотность.

Важным критерием являются энергозатраты: так как количество пищи (источника энергии) ограничено, то затраты метаболизма приходится ограничивать, поэтому и появилась стремление к поддержанию нейтральной плавучести.

Основная масса морских животных обитает на каком-то определённом участке столба воды, но нередко наблюдаются суточные миграции по вертикали.

Различают ряд разновидностей плавания:

  • пассивное — под влиянием течений (планктон), ветра (Velella velella, водоплавающие птицы).
  • активное — при помощи органов движения.

Органами движения могут быть реснички, жгутики, плавники, ноги, руки, хвост и т. п. Головоногие, например, применяют для движения реактивную струю воды, которую выпускают из мантийной полости через воронку; насыщенная кислородом вода поступает в мантийную полость через жабры и выводится из этих моллюсков мускульными сокращениями мантийной полости по завершении дыхательного цикла.

Другая классификация выделяет 3 способа передвижения в воде: 1) реактивным, 2) волнообразными движениями, гребками, 3) с помощью эффекта водного крыла (так, грудные плавники акулы создают при движении в воде подъёмную силу, и держат её на воде, пока она двигается).

У раков задний отдел брюшка, сгибаясь и разгибаясь сверху вниз (в вертикальной плоскости при горизонтальном положении тела), сообщает телу ряд поступательных толчков. У рыб движения заднего конца тела совершаются справа налево, то есть в горизонтальной плоскости: движение хвоста налево сопровождается движением головы влево и вперёд, а движение направо — движением головы направо и вперёд. Эти два движения при быстрой смене слагаются в одно поступательное. Плавание китообразных в целом тождественно с плаванием рыб, однако удары хвоста, снабжённого горизонтальным плавнем, совершаются в вертикальной плоскости (как у раков), а передние конечности служат лишь для равновесия и для поворачивания тела. Тюлени и моржи прикладывают свои задние конечности к хвосту, и физиологически эти конечности действуют, как один хвостовой плавник.

Так как при увеличении скорости движения тел по закону Бернулли понижается давление в пространстве между ними, нередко наблюдается стайное плавание, особенно у рыб.

Число Фруда, критерий подобия движения жидкостей и газов, определяется как отношение выходной мощности к потребляемой мощности:

nf = 2U1 / (U1 + U2)

Где U1 скорость свободного потока, а U2 скорость струи. Хороший КПД для карангиформного движителя составляет от 50 до 80%[3].

В более теплой воде скорость животных выше.

Движение рыбы за счёт хвостового плавника довольно оптимизировано: при минимальных тратах энергии они достигают максимальной скорости. Ранее считалось, что удается рыбам благодаря управлению безразмерным числом Струхаля, которое связывает скорость движения с частотой и амплитудой колебательных движений хвоста. Для того, чтобы тратить наименьшие усилия, эти значения не должны выходить за пределы диапазона от 0,2 до 0,4. В этом плавание рыб похоже на полёт птиц: несмотря на то, что механизмы движения разные, они описываются практически одинаковым диапазоном чисел Струхаля. В недавней работе гидродинамики из США сделали вывод, что скорость плавания определяется двумя параметрами: кроме числа Струхаля важным является и отношения амплитуды колебаний хвоста к длине тела, и более важным из них является второй[4].

Н. В. Кокшайский охарактеризовал плавание как явление, при ко­тором организм образует некоторую систему подвижных элементов, отталкивающих среду и одновременно отталкивающихся от нее.

Скорость движения локомоторной волны по телу рыбы равна произведению длины волны на частоту взмахов хвоста, а численно близка произ­ведению длины рыбы на частоту ундуляции:

U = fφ ≈ fl

где U — скорость локомоторной полны; f—частота ундуляции; φ — длина локомоторной волны; L — длина рыбы. Вода представляет собой податливую среду, поэтому в ней имеет место некоторая «пробуксовка» движителей. Скорость плавания рыбы поэтому всег­да меньше скорости локомоторной волны:

КЭ = Ε/U

где КЭ — коэффициент эффективности движителя; Ε — скорость плавания рыбы.

Максимальная скорость плавания рыбы является функцией длины тела и максимальной частоты ундуляции, то есть максимальной частоты сокращений туловищной мускулатуры. Максимальная частота ударов хвоста при плавании некоторых достигает 30 Гц.

Крупные рыбы обладают большей скоростью, чем более мелкие. Эта зависимость выражается следующей формулой:

V = 1 [L (3f-4)]

Где V- скорость в см./ сек. L - длина рыбы в см. f - число взмахов хвоста в секунду

Поэтому для сравнения скорости движения разноразмерных рыб используется обычно коэффициент скорости представляющий собой частное деление абсолютной скорости движения рыбы на корень квадратный её длины (V)[5].

Движение производится работой мышц, управляемых нервной системой на основе информации, поступающей от органов чувств, и задач, стоящих перед животным. Работа мышц требует энергии. Источником энергии в клетках является аденозинтрифосфат (АТФ), который при необходимости распадается до аденозинфосфата (АДФ): АТФ → АДФ + энергия. При распаде гликогена на 1 моль кислорода образуется 6,2 моль АТФ. Таким образом, для движения также необходимы питательные вещества и кислород, а также соответствующие клеточные органы и механизмы, обеспечивающие работу мышц, органы дыхания и т. п.

См. также[править]

Примечания[править]

  1. Тело обладает положительной плавучестью, если его вес меньше, чем объём вытесненной воды. Положительная плавучесть позволяет телу плавать на поверхности и не тонуть. Отрицательная, напротив, нужна, чтобы погрузиться в воду. Нейтральная плавучесть обеспечивает «парение» в толще воды без особых усилий.

Источники[править]

  1. Хочачка Питер, Сомеро Джордж. «Стратегия биохимической адаптации» (М.: Мир, 1977).
  2. Физиология животных: Приспособление и среда. Под ред. Е. М. Крепса. Книга 2. 1982
  3. McNeill Alexander, R. Exploring Biomechanics: Animals in Motion. 2nd ed. New York, New York: W. H. Freeman & Co, 1992. Print.
  4. Гидродинамики научат рыб быстро плавать
  5. ФИЗИОЛОГИЯ ДВИЖЕНИЯ И МУСКУЛАТУРА РЫБ