БИОФИЗИКА: РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ
Предлагаю читателям зелёных страничек заглянуть в увлекательный мир биофизики и познакомиться с основными принципами реактивного движения в живой природе. Сегодня в программе: медуза корнерот – самая крупная медуза Чёрного моря, морские гребешки, предприимчивая личинка стрекозы-коромысла, восхитительный кальмар с его непревзойдённым реактивным двигателем и замечательные иллюстрации в исполнении советского биолога и художника-анималиста Кондакова Николая Николаевича.
По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы… Познакомимся с некоторыми из них поближе 😉
Реактивный способ движения медуз
Медузы – одни из самых древних и многочисленных хищников на нашей планете! Тело медузы на 98% состоит из воды и в значительной части составлено из обводнённой соединительной ткани – мезоглеи, функционирующей как скелет. Основу мезоглеи составляет белок коллаген. Студенистое и прозрачное тело медузы по форме напоминает колокол или зонтик (в диаметре от нескольких миллиметров до 2,5 м). Большинство медуз двигаются реактивным способом, выталкивая воду из полости зонтика.
 |
 |
Медузы Корнероты (Rhizostomae), отряд кишечнополостных животных класса сцифоидных. Медузы (до 65 см в диаметре) лишены краевых щупалец. Края рта вытянуты в ротовые лопасти с многочисленными складками, срастающимися между собой с образованием множества вторичных ротовых отверстий. Прикосновение к ротовым лопастям может вызвать болезненные ожоги, обусловленные действием стрекательных клеток. Около 80 видов; обитают преимущественно в тропических, реже в умеренных морях. В России – 2 вида: Rhizostoma pulmo обычен в Чёрном и Азовском морях, Rhopilema asamushi встречается в Японском море.
Реактивное бегство морских моллюсков гребешков
Морские моллюски гребешки, обычно спокойно лежащие на дне, при приближении к ним их главного врага – восхитительно медлительной, но чрезвычайно коварной хищницы – морской звезды – резко сжимают створки своей раковины, с силой выталкивая из неё воду. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, они всплывают и, продолжая открывать и захлопывать раковину, могут отплывать на значительное расстояние. Если же гребешок по какой-то причине не успевает спастись своим реактивным бегством, морская звезда обхватывает его своими руками, вскрывает раковину и поедает…
| |
|
Морской Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных животных класса двустворчатых моллюсков (Bivalvia). Раковина гребешка округлая с прямым замочным краем. Поверхность её покрыта расходящимися от вершины радиальными ребрами. Створки раковины смыкаются одним сильным мускулом. В Чёрном море обитают Pecten maximus, Flexopecten glaber; в Японском и Охотском морях – Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре).
| |
|
Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла
Нрав у личинки стрекозы-коромысла, или эшны (Aeshna sp.) не менее хищный, чем у её крылатых сородичей. Два, а иногда и четыре года живёт она в подводном царстве, ползает по каменистому дну, выслеживая мелких водных обитателей, с удовольствием включая в свой рацион довольно-таки крупнокалиберных головастиков и мальков. В минуты опасности личинка стрекозы-коромысла срывается с места и рывками плывёт вперёд, движимая работой замечательного реактивного насоса. Набирая воду в заднюю кишку, а затем резко выбрасывая её, личинка прыгает вперёд, подгоняемая силой отдачи. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, личинка стрекозы-коромысла уверенными толчками-рывками скрывается от преследующей её угрозы.
Реактивные импульсы нервной «автострады» кальмаров
Во всех, приведённых выше случаях (принципах реактивного движения медуз, гребешков, личинок стрекозы-коромысла), толчки и рывки отделены друг от друга значительными промежутками времени, следовательно большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличилась скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих живой реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва.
Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. В среднем они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих – и проводят возбуждение они со скоростью 25 м/с. А у трёхметрового кальмара дозидикуса (он обитает у берегов Чили) толщина нервов фантастически велика – 18 мм. Нервы толстые, как верёвки! Сигналы мозга – возбудители сокращений – мчатся по нервной «автостраде» кальмара со скоростью легкового автомобиля – 90 км/ч.
Благодаря кальмарам, исследования жизнедеятельности нервов ещё в начале 20 века стремительно продвинулись вперёд. «И кто знает, – пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, – может быть, есть сейчас люди, обязанные кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…»
Быстроходность и манёвренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что кальмара и прозвали «живой торпедой».
Кальмары (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков отряда десятиногих. Размером обычно 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными животными (кальмары рода Architeuthis достигают 18 м, включая длину щупалец).
Тело у кальмаров удлинённое, заострённое сзади, торпедообразное, что определяет большую скорость их движения как в воде (до 70 км/ч), так и в воздухе (кальмары могут выскакивать из воды на высоту до 7 м).
Реактивный двигатель кальмара
Реактивное движение, используемое ныне в торпедах, самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, каракатицам, кальмарам. Наибольший интерес для техников и биофизиков представляет реактивный двигатель кальмаров. Обратите внимание, как просто, с какой минимальной затратой материала решила природа эту сложную и до сих пор непревзойдённую задачу 😉
| |
|
В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными двигателями (рис. 1а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска кальмар использует реактивный двигатель. Основой этого двигателя является мантия – мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляя почти половину объёма его тела, и образует своеобразный резервуар – мантийную полость – «камеру сгорания» живой ракеты, в которую периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 1б).
При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель плотно «застёгивается» на специальные «запонки-кнопки» после того как «камера сгорания» живого двигателя наполнится забортной водой. Расположена мантийная щель вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкую воронку, которая расположена на брюшной поверхности кальмара. Эта воронка, или сифон, – «сопло» живого реактивного двигателя.
«Сопло» двигателя снабжено специальным клапаном и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки-сопла (рис. 1в), кальмар плывёт одинаково хорошо, как вперёд, так и назад (если он плывет назад, – воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к её стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперёд, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, её выходное отверстие сворачивается и клапан принимает изогнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.
1а) кальмар – живая торпеда; 1б) реактивный двигатель кальмара; 1в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад и вперёд.
На забор воды и её выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.
Реактивный двигатель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч; некоторые исследователи считают, что даже 150 км/ч!
Инженеры уже создали двигатель, подобный реактивному двигателю кальмара: это водомёт, действующий при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же реактивный двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров и является объектом тщательных исследований биофизиков? Для работы под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Творческие поиски инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушно-реактивному…
Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – советский биолог, художник-анималист, кандидат биологических наук. Основным вкладом в биологическую науку стали выполненные им рисунки различных представителей фауны. Эти иллюстрации вошли во многие издания, такие как Большая Советская Энциклопедия, Красная книга СССР, в атласы животных и в учебные пособия.
Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии, автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных».
Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии, но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.
Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ § Акимушкин И.И. Приматы моря
Москва: издательство «Мысль», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988
Источник
Морские гребешки
Богатое видами семейство морских гребешков широко распространено почти во всех морях и океанах.
Гребешки живут на самых разнообразных глубинах, вплоть до глубоководных впадин. На дне Курило-Камчатской впадины (свыше 9000 м) был найден полупрозрачный гребешок, и это пока самая большая глубина, на которой встречаются данные моллюски.
Наибольшее количество видов гребешков фауны России обитает в дальневосточных морях. Самые известные из них — приморский промысловый гребешок с белой ребристой раковиной и очень красивый гребешок Свифта. В Беринговом, Охотском и в южной части Чукотского моря обитает беринговоморский гребешок. В Белом, Баренцевом, Карском и других морях живет исландский гребешок, мясо которого очень вкусно. Все это промысловые виды, которые используются в пищу.
Морские гребешки имеют округлую раковину с прямым верхним краем, выдающимся по бокам в виде угловатых выступов — ушек. Верхняя створка более уплощенная, а нижняя — более выпуклая. Раковина утрачивает симметрию, что обусловлено образом жизни моллюска. Гребешок свободно лежит на дне на правом или левом боку. Помимо линий нарастания, или годичных колец, которые есть на раковинах всех двустворок, раковины гребешков покрыты хорошо выраженной скульптурой в виде радиальных ребер. С ростом створок количество ребер увеличивается, что может происходить двумя путями: либо имеющиеся ребра расчленяются каждое на два, либо между старыми ребрами возникают вставочные ребра. Для обеспечения более плотного смыкания раковины, ребра, выступающие по краю одной створки, заходят в соответствующие межреберные углубления другой створки. Такой механизм закрывания раковины компенсирует отсутствие у гребешков замковых зубов.
Створки раковины у гребешков соединены лигаментом, состоящим из двух частей — наружной и внутренней. Наружная, более тонкая пластинка соединяет верхние прямые края створок. Внутренняя часть развита много сильнее и лежит в особой ямке внутри раковины. Такое мощное развитие лигамента также компенсирует отсутствие замка.
Как у всех двустворчатых моллюсков, мантийные складки прикрепляются к вершине раковины особыми мантийными мышцами. Наружной поверхностью складки мантии плотно прилегают к внутренней поверхности створок раковины, а свободные края между собой не срастаются. Складки мантии напоминают расстегнутые полы пиджака, свободно охватывающие тело, благодаря чему мантийная полость сообщается с окружающей водой. У гребешков, в отличие от других двустворчатых моллюсков, появилось очень интересное приспособление — их мантия стала принимать активное участие в передвижении животного. Каждая лопасть мантии (каждая «пола пиджака») имеет широкие складки, называемые парусом. С их помощью гребешки могут закрывать вход в мантийную полость при открытой раковине, наподобие того, как при расстегнутом пиджаке тело прикрыто еще и рубашкой. Парус закрывает вход в мантийную полость таким образом, что остаются два отверстия в области вершины раковины около ушек (наподобие рукавов рубашки). Если при таком положении паруса гребешок с силой захлопнет раковину, то вода, находящаяся в мантийной полости, с силой вытолкнется через эти «рукава». Толчок воды по принципу реактивного двигателя сообщает моллюску обратный импульс, и он делает прыжок вперед. Такими скачками, хлопая створками раковины, гребешки передвигаются по морскому дну. Если во время прыжков гребешок случайно упадет на дно своей верхней (плоской) створкой вниз, то он сейчас же толчком переворачивается на 180 градусов. Таким же способом, используя принцип реактивного двигателя, гребешок может двигаться в толще воды, не касаясь дна. Хлопки раковиной при этом более частые, но не такие мощные. Этот способ движения трудно назвать плаванием, скорее, это прыжки в воде на высоте примерно полметра от дна. Самое большое расстояние, которое может проплыть гребешок, не опускаясь на дно — 4 метра. Крупных гребешков заставить плавать очень трудно, мелкие молодые особи более подвижны и плавают примерно со скоростью 65 сантиметров в секунду. Способность двигаться такими скачками позволяет мелководным гребешкам в жаркое время года перемещаться в более глубокие прохладные места, а зимой мигрировать ближе к берегам. Внезапное опреснение воды или заиление дна могут вызывать массовые миграции гребешков.
Скачки за счет работы створок раковины — единственный способ передвижения этих моллюсков, в связи с чем нога у них почти полностью редуцировалась. От нее остался небольшой продолговатый кусочек, который вырабатывает биссус. Он выделяется через прорезь в раковине в районе ушка. Нога у гребешков работает только в период, когда личинка подыскивает место на дне моря для прикрепления. Сначала гребешки ощупывают дно мантийными щупальцами, затем выпускают ногу и довольно долго ощупывают ею субстрат. Потом нога втягивается обратно и начинает выделять нити биссуса, которые постепенно твердеют и закрепляют молодого моллюска на дне. Когда гребешок вынужден убегать от врагов, нити биссуса ломаются, и моллюск оказывается свободен. Обычно гребешки лежат на дне таким образом, что в углублении помещается вся нижняя выпуклая створка. Верхняя, обычно ярко окрашенная, находится врот вень с грунтом или чуть ниже. Зарывшийся гребешок может лежать неподвижно в течение 2 недель, а не зарывшийся — до 6 суток. Прикрепленные особи ориентированы всегда так, что приливно-отливные течения обеспечивают постоянный ток воды и способствуют повышению фильтрации. Питаются гребешки детритом и различными мелкими планктонными организмами, отфильтровывая их из воды, проходящей через мантийную полость. Один моллюск размером 4 сантиметра может профильтровать за час около 3 литра воды, а гребешок в 7 сантиметров — до 25 литров.
По краю мантии лежат мантийные глазки и органы осязания в виде чувствительных клеток, покрывающих тонкие щупальца, свисающие с краев мантии, как бахрома. Мантийные глазки не являются настоящими глазами и не связаны с мозгом моллюска. Они представляют собой пузырьки, покрытые спереди слоем прозрачного эпителия, а с задней стороны слоем чувствительных клеток. Этот слой подстилается зеркальцем, а за ним лежит слой пигментных клеток. Внутри пузырька находится светопреломляющая линза — хрусталик. Такие глазки развиваются в качестве новообразования из клеток мантии. За счет отражения света от зеркальца они могут отливать красивым зеленым цветом. Количество и расположение глаз у гребешков различно, иногда достигает ста. С помощью таких глаз гребешки могут видеть только на очень небольшом расстоянии. Только когда злейший враг гребешков — морская звезда приблизится к нему почти вплотную, он совершает прыжок и обращается в бегство.
При спокойном плавании моллюск движется вперед брюшной стороной со скоростью 30 сантиметров в секунду, и две струи воды направлены в противоположную сторону. При паническом бегстве вперед направлена спинная сторона, а струи воды — соответственно в брюшную сторону. Скорость при бегстве значительно ниже: всего 11 сантиметров в секунду. Это странное несоответствие вполне объяснимо. При плавании спиной вперед скорость движения ниже, плыть так гребешку неудобно, но наиболее уязвимая для нападения брюшная сторона при таком способе движения оказывается хорошо защищена сильным током воды.
Открытая мантия и развитие чувствительных органов на ее краях обусловлено тем, что гребешки ведут свободный, подвижный образ жизни на поверхности дна, не закапываются и свободно омываются водой со всех сторон.
Большинство гребешков — раздельнополые организмы, тогда как некоторые виды, например черноморский гребешок, обоеполые существа. У обоеполых моллюсков передняя часть половой железы является мужской, а задняя — женской. Оплодотворение происходит в воде, куда гребешки выметывают яйцеклетки и сперматозоиды. При икрометании створки раковины интенсивно закрываются и открываются, икра извергается из отверстия возле ушка или с брюшной стороны. Самка мечет икру порциями, иногда до 10 раз. Поскольку никаких приспособлений, снижающих гибель яиц и личинок в воде, у гребешков нет, они выживают за счет плодовитости (помните «закон большого числа яиц»?). Так например, самка приморского гребешка выметывает 20—25 миллионов яиц. Из них выходят обычные личинки, которые, поплавав и найдя подходящее место, оседают на дно. Они прикрепляются к субстрату правой створкой раковины с помощью биссуса и ведут сидячий образ жизни от 40 до 60 дней, т.е. до тех пор, пока не достигнут размеров 6— 10 миллиметров. В это время молодые гребешки довольно часто отрывают биссус и перемещаются (так и хочется сказать «скачут») по дну. Подросшие моллюски переходят к придонному свободному образу жизни. Среди гребешков размером в 2—5 миллиметров прикрепленными оказываются 75 % особей, у гребешков длиной 50— 70 миллиметров — 30 % сидячих особей, а крупные гребешки (100—120 миллиметров) вообще не закрепляются и ведут свободный образ жизни. Половой зрелости гребешки достигают к одному году при размерах 4—5 сантиметров. Размер гребешков к 2 годам в среднем 7—8 сантиметров. Моллюски таких размеров считаются промысловыми.
Период, когда гребешок переходит к донному образу жизни, характеризуется самой высокой смертностью: в этот период гибнет до 85— 90 % особей. Считается, что причинами такой высокой смертности служит частое попадание молодых моллюсков в неблагоприятные условия — повышенной температуры на мелководье, илистых грунтов и соответственно мутной воды.
Мясо морских гребешков (крупный мускул-замыкатель и мантия) еще у древних греков и римлян считалось вкусным блюдом. В настоящее время гребешки употребляются в пищу почти во всех странах мира в свежем, мороженом, консервированном виде. В России добываются в промышленном масштабе на Дальнем Востоке, Курильских островах.
Промысловые скопления приморского гребешка имеются в районе Курило-Сахалинского бассейна на глубине 8—25 метров. Пищевая ценность гребешков и их быстрый рост делают этих моллюсков удобным объектом для культивирования. В настоящее время разведение гребешков в промышленном масштабе ведется только в Японии. Сбор личинок осуществляют подобно тому, как это делают при разведении устриц. В воду опускают тросы, на которые нанизаны раковины гребешков. Осевших на раковины личинок переносят на специальные мелководные участки, огороженные дамбами, с чистой хорошо перемешиваемой водой.
Источник
