Способы движения водных животных

Передвижение животных в воде

Чтобы плавать и дрейфовать, нужно иметь определенное соотношение массы и объема тела. Обтекаемая форма тела облегчает многим животным движение в толще воды.

Кряква — довольно тяжелая птица, однако она не тонет. Когда утка распушает перья, между ними накапливается воздух, который удерживает ее на плаву, подобно спасательному жилету. Благодаря воздуху общая плотность тела кряквы становится меньше плотности воды.

По закону Архимеда

На поверхности реки утку удерживает выталкивающая сила, равная по величине весу воды, вытесненной телом птицы. Перед нырянием птица делает резкий рывок, выгибая спину. Давление воды вытесняет часть воздуха из оперения. Утка как бы выпустила воздух из своего «спасательного жилета», уменьшив общую плотность тела и тем самым облегчив погружение. Чтобы оставаться под водой, птице достаточно слегка двигать перепончатыми лапами. Вынырнув, утка встряхивается и распушает перья: ее «спасательный жилет» вновь наполняется воздухом. Оперение уток и других водоплавающих птиц не намокает: пернатые регулярно смазывают свои перья маслянистыми выделениями особых копчиковых желез.

Регулировка глубины

Сходным образом действуют и рыбы. Регулировать общую плотность тела им помогает плавательный пузырь, функционирующий как заполненный газом буй. Его объем, а значит, и свою плавучесть рыба может менять произвольно.

У каракатицы нет плавательного пузыря, но внутри ее тела находится пористый рудимент раковины, заполненный газом. Кашалоту помогает плавать расположенная в верхней части головы «подушка» из особого воскоподобного вещества – спермацета. Носовые ходы у кита проходят сквозь спермацетовую подушку. Когда кашалот ныряет, носовые проходы наполняются холодной водой, которая охлаждает спермацет. От этого его объем уменьшается, что позволяет киту погрузиться на огромную глубину. Согрев спермацет с помощью крови, кит становится легче и всплывает на поверхность.

Техника плавания

Водным животным приходится искать компромиссы между скоростью передвижения, маневренностью и необходимостью экономить энергию. Рыба, скользящая в толще воды, не должна уставать. По способу плавания можно различить три типа рыб. Первые, например тунцы, – стайеры, способные преодолевать большие расстояния. Вторые (барракуды) совершают молниеносные броски. Третьи(рыбы-бабочки) обладают невероятной маневренностью. Большинство рыб, впрочем, не отличаются каким-то особым стилем плавания.

Расход энергии

Во время плавания наиболее эффективно расходуют энергию тунцы и другие крупные пелагические рыбы (обитающие в толще воды и на ее поверхности). Обтекаемая, напоминающая веретено форма уменьшает сопротивление воды и облегчает движение тунца. Его узкий серповидный хвостовой плавник соединен с телом тонким перехватом. Работая хвостом, тунец может несколько дней подряд плыть со скоростью около 15 км/ч. Тунцы — неважные спринтеры и не особенно маневренны, зато способны без устали преследовать добычу на огромных дистанциях.

Акула-мако расходует энергию не столь эффективно. При плавании она волнообразно изгибает почти все тело, тогда как тунец машет только хвостом. Акула-мако плавает медленнее тунца, но способна развивать большее ускорение. Однако ни одна рыба не сравнится по ускорению с щукой или барракудой. Маневренности у этих рыб не больше, чем у танка, но мощный хвост с крупным плавником позволяет им молниеносно бросаться на добычу. Взмах хвоста требует от рыб больших затрат энергии.

Рыба-бабочка живет у коралловых рифов. Их причудливый рельеф сильно затрудняет передвижение. Уплощенное яйцевидное тело рыбы невелико в длину, но легко разворачивается при малейших взмахах грудных плавников. Их частые взмахи позволяют рыбе легко двигаться во всех направлениях.

Вот это скорость!

Всем животным, активно плавающим в толще воды, в той или иной степени свойственна обтекаемая форма тела. У рыб-мечей и парусников она достигает совершенства. Верхняя челюсть у них вытянулась в длинный отросток, уменьшающий завихрения воды при быстром скольжении в ее толще. Благодаря этому рыбы могут развивать скорость 110 км/ч, а средняя скорость их плавания составляет около 50 км/ч.

Морские млекопитающие сильно уступают своими скоростными качествами рыбам. Одни из самых быстроходных среди них, дельфины, способны плыть со скоростью до 55 км/ч. Дельфины могли бы двигаться гораздо быстрее, но, как показали недавние исследования, для них это слишком болезненно: когда животное развивает сверхскорость, вокруг его хвоста образуется масса воздушных пузырьков, которые, лопаясь, раздражают унизывающие хвост болевые рецепторы.

Источник

Кто как движется под водой

Каждый из вас, конечно, наблюдал рыб либо в аквариуме, либо на воле – в природных условиях, и видел, как рыбы плавают. Но рыбы – только незначительная часть жителей подводного мира. По сравнению с миром суши подводный мир гораздо богаче и разнообразнее. Даже способов передвижения у его обитателей больше пятидесяти!
Давайте заглянем в океан и посмотрим, кто как движется. Начнем с вольных жителей морской стихии: с тех, кто свободно перемещается в толще океанских вод, подобно птицам а воздушном океане.

Кальмар

Самые знаменитые среди них – головоногие моллюски: кальмары, каракатицы, осьминоги. Кальмар самый быстрый пловец в океане. Он обгоняет даже океанские корабли. Плавник служит ему рулем и стабилизатором, в десять щупалец – рулями поворота. Кальмар несется хвостом вперед, всасывая воду под кожистую складку-мантию, в потом, закрыв мантию, с силой выбрасывает воду через воронку, расположенную под клювом. Справа – схема его движения.

Медузы

Медуза движется тоже реактивным способом, но гораздо медленнее, чем кальмар. Мягкими, пульсирующими движениями она сокращает свой купол и выталкивает из-под него воду.

Морской гребешок превращается в ракету только в минуту опасности. Вот подобралась к нему страшная хищница – морская звезда.
Морской гребешок

Гребешок с силой захлопнул створки. Вытолкнув при этом воду, он взвился кверху и, описав пологую дугу, опустился подальше от врага. На рисунке слева показано, как гребешок сжимает створки.

РУКИ – ВЕСЛА, НОГИ – ВЕСЛА

Веслоногий рачок

Морская вода кишит планктоном – тысячами крохотных существ. Вот один из них, веслоногий рачок. У него все в движении: и усы, и передние лепки, и задние. В наших прудах часто можно видеть циклопов, очень похожих на этих рачков.
Веслоногие рачки – пища многих обитателей океана. Даже такие гиганты, как кит, питаются планктоном.

Многощетинковый червь

Многощетинковые черви не только ползают по дну, но и плавают, равномерно перебирая своими щетинками, словно древняя галера веслами.

А теперь познакомимся с обитателями морского дна. Очень многие из них не могут передвигаться и всю жизнь прикреплены к одному месту. Многие, но не все!

ВЕРХОМ НА ИЗВОЗЧИКЕ

Актиния на крабе

Вот похожая на цветок красавица актиния. Сама она ни плавать, ни ходить не может и пускается на хитрость. Перевернувшись «вверх ногами», точнее, вверх ногой, ждет, когда мимо нее проползет краб. Стоит крабу дотронуться до актинии, она мгновенно опрокидывается, присасывается к его панцирю своей подошвой и вот уже едет на нем. «На извозчике», кроме актинии, путешествуют некоторые губки и черви.

Среди живущих на дне много и таких, которые передвигаются самостоятельно, например, крабы.

НА ЧЕТЫРЕХ ВЕСЛАХ

Морская черепаха

Морские черепахи проплывают огромные расстояния. Ласт – хорошее весло, а их у черепахи целых четыре.

Скат

Скат прямо-таки летает под водой. Плавники вокруг его тела плавно изгибаются, и он парит над морским дном.

Сифонофора

Сифонофора, родственница медуз, похожа на плавучий буек. Не поверхности воды виден наполненный воздухом шар с ярким гребнем, а от него на много метров под воду опускаются длинные щупальца. Шар с гребнем помогает использовать силу ветра, а щупальца – силу морских течений.

НА КРЫЛЬЯХ ПОД ВОДОЙ

Крылоногий моллюск

Это крылоногий моллюск. Маленькие кожистые выросты служат ему крыльями. Моллюск машет ими, как мотылек.

ЗАГРЕБАЯ ПОД СЕБЯ
Креветка

Раки и креветки плавают. хвостами вперед. Хвостом они загребают под себя воду и силой таких гребков движутся в противоположную сторону.

ПЕРЕТЯГИВАНИЕ НА КАНАТИКАХ

Морская звезда

У каждого луча морской звезды с нижней стороны многочисленные выросты. Это двигательные трубочки. На конце каждой трубочки – присоска. Когда звезде надо переместиться, она накачивает в трубочки воду, чтобы они вытянулись, и присасывается ими ко дну. После этого трубочки сокращаются, звезда немного продвигается и повторяет все сначала.

НА ХОДУЛЯХ

Морской еж

Тело морского ежа покрыто подвижно прикрепленными длинными иглами, На них ежик и ходит по морскому дну, словно на ходулях.

НА ЦЕПКИХ ЛАПКАХ

Морская лилия

А у морской лилии есть лапки, которыми она цепляется за встречные растения и животных, подбираясь ближе к пище. И морская звезда, и морской еж, и морская лилия – представители одного и того же типа животных: иглокожих. А как по-разному все они движутся!

ИЗВИВАЯСЬ, КАК ЗМЕИ

Червь-пескожил

На картинке вы видите червя-пескожила. Тысячи пескожилов, окрашенных в разные цвета, ползают по песчаному дну Баренцева моря. Извиваясь, они цепляются за дно щетинками. Щетинок у них мало, не так, как у «многовесельной галеры». Пескожилы и относятся к малощетинковым червям.

Рыба бентозавр

Это глубоководная рыба бентозавр. Она слепая, потому что живет в вечном мраке. Бентозавр шагает по дну на треноге. Правда, никто этого не видел, потому что когда за ним наблюдали, бентозавр стоял неподвижно. И все же ученые уверены, что он шагает именно так, иначе зачем бы ему эта тренога из двух удлиненных боковых плавников и нижней части хвостового?

Ракушка-сердцевидка

Вот как перемещается морская ракушка-сердцевидка. Она высовывает свою единственную ногу из приоткрытых створок своего домика и отталкивается или подтягивается с ее помощью туда, куда нужно.

ПОЛЗКОМ НА БРЮХЕ

Ракушка-конус

Так двигаются моллюски, которых ученые за это и назвали брюхоногими, а попросту, в обиходе, мы называем улитками. Это ядовитая ракушка-конус, живущая на Большом барьерном рифе в Австралии. Она не спеша ползет на брюхе и несет на себе свою красивую пеструю раковину.

Источник

Водное передвижение — Aquatic locomotion

Водное передвижение — это биологически продвинутое движение в жидкой среде. Простейшие двигательные системы состоят из ресничек и жгутиков . Плавание несколько раз эволюционировало у ряда организмов, включая членистоногих , рыб , моллюсков , рептилий , птиц и млекопитающих .

СОДЕРЖАНИЕ

Эволюция плавания

Плавание несколько раз развивалось по разным линиям. Предполагаемые окаменелости медуз встречаются в Эдиакарах , но первые свободно плавающие животные появляются в раннем и среднем кембрии . Они в основном связаны с членистоногими и включают аномалокаридид , которые плавают с помощью боковых долей, как современные каракатицы . Головоногие моллюски пополнили ряды нектонов в конце кембрия, а хордовые, вероятно, поплыли из раннего кембрия. Многие наземные животные сохраняют некоторую способность плавать, однако некоторые из них вернулись в воду и развили способность к водному перемещению. Однако большинство обезьян (включая людей) утратили инстинкт плавания .

В 2013 году Педро Ренато Бендер, научный сотрудник Института эволюции человека Университета Витватерсранда , предложил теорию, объясняющую потерю этого инстинкта. Названная гипотезой последнего общего предка Сачи (в честь Сачи , бразильского фольклорного персонажа, который не может преодолевать водные преграды), она утверждает, что потеря инстинктивной способности к плаванию у обезьян лучше всего объясняется ограничениями, связанными с адаптацией к древесной жизни у обезьян. последний общий предок обезьян. Бендер выдвинул гипотезу, что древние обезьяны все чаще избегали глубоководных водоемов, когда риск контакта с водой был явно выше, чем преимущества пересечения их. Уменьшение контакта с водоемами могло привести к исчезновению инстинкта собачьего весла .

Микроорганизмы

Бактериальный

Инфузории

Инфузории используют маленькие жгутики, называемые ресничками, для передвижения по воде. Одна инфузория обычно имеет от сотен до тысяч ресничек, которые плотно упакованы вместе в массивы. Во время движения отдельная ресничка деформируется, используя рабочий ход с высоким коэффициентом трения, за которым следует ход восстановления с низким коэффициентом трения. Поскольку на индивидуальном организме имеется множество ресничек, упакованных вместе, они демонстрируют коллективное поведение в метахрональном ритме . Это означает, что деформация одной реснички находится в фазе с деформацией ее соседки, вызывая волны деформации, которые распространяются по поверхности организма. Эти распространяющиеся волны ресничек позволяют организму скоординированно использовать реснички для движения. Типичным примером ресничного микроорганизма является Paramecium , одноклеточное мерцательное простейшее, покрытое тысячами ресничек. Биение ресничек позволяет парамециуму перемещаться по воде со скоростью 500 микрометров в секунду.

Жгутиковые

У некоторых организмов, таких как бактерии и сперма животных, есть жгутики, которые научились перемещаться в жидкой среде. Модель вращающегося двигателя показывает, что бактерии используют протоны электрохимического градиента для перемещения своих жгутиков. Крутящий момент в жгутике бактерий создается частицами, которые проводят протоны вокруг основания жгутика. Направление вращения жгутиков у бактерий определяется заполнением протонных каналов по периметру мотора жгутика.

Движение сперматозоидов называется подвижностью сперматозоидов . Середина сперматозоида млекопитающих содержит митохондрии, которые обеспечивают движение жгутика сперматозоидов. Двигатель вокруг основания создает крутящий момент, как у бактерий, движущихся в водной среде.

Псевдоподии

Движение с помощью псевдопода осуществляется за счет увеличения давления в одной точке на клеточной мембране . Это повышение давления является результатом полимеризации актина между корой и мембраной. По мере увеличения давления клеточная мембрана выталкивается наружу, образуя псевдопод. Когда ложноножка движется наружу, остальная часть тела тянется вперед за счет коркового напряжения. В результате клетки перемещаются в жидкой среде. Кроме того, направление движения определяется хемотаксисом . Когда хемоаттракция происходит в определенной области клеточной мембраны , полимеризация актина может начаться и переместить клетку в этом направлении. Прекрасным примером организма, использующего псевдоножки, является Naegleria fowleri .

Беспозвоночные

У лучников , медуз и их сородичей основной способ плавания — сгибание чашеобразного тела. Все медузы плавают свободно, хотя многие из них проводят большую часть времени в пассивном плавании. Пассивное плавание сродни скольжению; организм плавает, используя токи там, где это возможно, и не прилагает никакой энергии для управления своим положением или движением. Напротив, активное плавание требует затрат энергии на путешествие в желаемое место.

В билатерии существует множество способов плавания. В стрелках червей ( Chaetognatha ) волнистые их ребристое тело, а не в отличии от рыбы. Нематоды плавают волнообразными движениями тела без плавников. Некоторые группы членистоногих могут плавать, в том числе многие ракообразные . Большинство ракообразных, например креветки , обычно плавают на специальных плавательных ногах ( плеоподах ). Плавательные крабы плавают на модифицированных ходильных ногах ( переоподах ). Ракообразное дафния плавает, взмахивая усами.

Также существует ряд форм плавающих моллюсков . Многие свободно плавающие морские слизни , такие как морские ангелы , имеют структуры, напоминающие плавники. Некоторые моллюски с раковиной, такие как гребешки, могут ненадолго плавать, хлопая обеими раковинами, открывая и закрывая их. Моллюски, наиболее приспособленные для плавания, — это головоногие моллюски . Фиолетовые морские улитки используют плавучий плот из пенопласта, стабилизированный амфифильными муцинами, чтобы плавать на поверхности моря.

Среди Deuterostomia есть и несколько пловцов. Перья звезды могут плавать, раскачивая свои многочисленные руки. Beautiful Swim Feather Star en MSN Video . Сальпы движутся, прокачивая воду через свои студенистые тела. Наиболее развитые для плавания deuterostomes встречаются у позвоночных , особенно у рыб .

Реактивный двигатель

Реактивное движение — это метод передвижения в воде, при котором животные заполняют мышечную полость и выбрасывают воду, чтобы заставить их двигаться в направлении, противоположном струе воды. Большинство организмов оснащено одним из двух вариантов реактивного движения; они могут втягивать воду сзади и выталкивать ее сзади, например, медузы, или втягивать воду спереди и выталкивать ее сзади, например, сальпы. Заполнение полости вызывает увеличение массы и сопротивления животного. Из-за большой сужающейся полости скорость животного колеблется при движении по воде, ускоряясь при выталкивании воды и замедляясь при всасывании воды пылесосом. Несмотря на то, что этими колебаниями сопротивления и массы можно пренебречь, если частота циклов реактивного движения достаточно высока, реактивное движение является относительно неэффективным методом передвижения в воде.

Все головоногие моллюски могут двигаться за счет реактивного движения , но это очень энергоемкий способ передвижения по сравнению с хвостовым движением, используемым рыбами. Относительная эффективность реактивного движения снижается по мере увеличения размера животного. Со времен палеозоя, когда конкуренция с рыбой создавала среду, в которой эффективное движение было решающим для выживания, реактивное движение отошло на второй план, а плавники и щупальца использовались для поддержания постоянной скорости. Тем не менее, стоп-старт, обеспечиваемый реактивными двигателями, по-прежнему полезен для обеспечения высокоскоростных всплесков — не в последнюю очередь при поимке добычи или избегании хищников. Действительно, это делает головоногих моллюсков самыми быстрыми морскими беспозвоночными, и они могут обогнать большинство рыб. Кислородная вода попадает в полость мантии к жабрам, и в результате мышечного сокращения этой полости отработанная вода выбрасывается через гипоном , образованный складкой в ​​мантии. Движение головоногих моллюсков обычно назад, поскольку вода вытесняется вперед через гипоном, но направление можно в некоторой степени контролировать, направляя его в разные стороны. Большинство головоногих моллюсков плавают (т.е. обладают нейтральной плавучестью ), поэтому им не нужно плавать, чтобы оставаться на плаву. Кальмары плавают медленнее, чем рыбы, но используют больше энергии для увеличения скорости. Снижение эффективности связано с количеством воды, которое кальмар может ускорить из своей мантии.

Медузы используют одностороннюю конструкцию водной полости, которая генерирует фазу непрерывных циклов реактивного движения, за которой следует фаза покоя. Эффективность Фруда составляет около 0,09, что указывает на очень дорогостоящий метод передвижения. Метаболические затраты на транспортировку медузы высоки по сравнению с рыбой такой же массы.

Другие реактивные животные имеют аналогичные проблемы с эффективностью. Морские гребешки , похожие на медузы, плавают, быстро открывая и закрывая свои раковины, которые втягивают воду и выталкивают ее со всех сторон. Это движение используется как средство спасения от хищников, таких как морские звезды . Впоследствии раковина действует как судно на подводных крыльях, противодействуя тенденции морского гребешка тонуть. Эффективность Фруда для этого типа движения низкая, около 0,3, поэтому он используется в качестве механизма аварийного спасения от хищников. Однако объем работы, выполняемой гребешком, снижается за счет эластичного шарнира, соединяющего две раковины двустворчатого моллюска. Кальмары плавают, втягивая воду в полость своей мантии и выталкивая ее через сифон. Эффективность их водометной двигательной установки по Фруду составляет около 0,29, что намного ниже, чем у рыбы той же массы.

Большая часть работы, выполняемой мышцами морского гребешка для закрытия его оболочки, сохраняется в виде упругой энергии в ткани абдуктина, которая действует как пружина, открывающая оболочку. Эластичность приводит к тому, что работа, выполняемая против воды, становится низкой из-за больших отверстий, в которые должна входить вода, и маленьких отверстий, которые должна оставлять вода. Инерционная работа водометного движителя также невелика. Из-за низкой инерционной работы экономия энергии, создаваемая эластичной тканью, настолько мала, что ею можно пренебречь. Медузы также могут использовать свою эластичную мезоглею, чтобы увеличить свой колокол. Их мантия содержит слой мышц, зажатый между эластичными волокнами. Мышечные волокна проходят вокруг раструба по окружности, в то время как эластичные волокна проходят через мышцу и по бокам раструба, чтобы предотвратить удлинение. После однократного сокращения колокол пассивно вибрирует на резонансной частоте, наполняя колокол. Однако, в отличие от гребешков, инерционная работа похожа на гидродинамическую из-за того, как медузы выталкивают воду через большое отверстие с низкой скоростью. Из-за этого отрицательное давление, создаваемое вибрирующей полостью, ниже положительного давления струи, а это означает, что инерционная работа мантии мала. Таким образом, реактивный двигатель показан как неэффективный способ плавания.

Источник