Почему рыбы не тонут? | Наука и жизнь
Фото: © Виктор Застольский / Фотобанк Лори.
Рисунок: Sharon High School.commons.wikimedia.org.wiki.
Карп (Cyprinus carpio carpio) может заглотить немного воздуха, всплыв на поверхность, и он попадёт в плавательный пузырь из пищевода по узкому каналу. Фото Сергея Горланова.
У окуня морского (Sebastes sp.), как, впрочем, и у речного, пузырь замкнут и полностью отделён от кишечника. Фото: jovibor.
У песчаной акулы (семейство Odontaspididae) нет плавательного пузыря. Его роль выполняет обособленная часть желудка. Фото: Richard Ling / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-2.0.
Камбалы, как и многие другие донные рыбы, обходятся вообще без плавательного пузыря. На фото: леопардовая камбала, или пятнистый ботус (Bothus pantherinus). Фото: © Сергей Дубров / Фотобанк Лори.
‹
›
Открыть в полном размере
Всем известно, хотя бы из приключенческих и военных кинофильмов, как маневрирует на глубине подводная лодка.
У неё есть специальные цистерны, куда можно закачивать забортную воду либо вытеснять её сжатым воздухом. Больше воды — лодка тяжелеет и погружается глубже, больше воздуха — всплывает.
Примерно так же поступают и многие рыбы. Только цистерна у них эластичная, меняющая свой объём — это плавательный пузырь, лежащий в брюшной полости. Вы наверняка его видели, если когда-либо наблюдали, как чистят свежую рыбу.
Типичная рыба примерно на 5% тяжелее воды. Если она не будет прилагать усилий, то опустится на дно. Плавательный пузырь уравнивает удельный вес рыбы с удельным весом воды, что позволяет рыбе висеть неподвижно, не всплывая и не опускаясь. А чтобы ненамного изменить глубину, достаточно слегка подрабатывать плавниками. Регулировать глубину, разумеется, надо и на ходу. Физиологи определили, что плавательный пузырь, поддерживая плавучесть при небольшой скорости, экономит рыбе до 60% усилий, а при быстром движении — более 5%. Кстати, человек при неглубоком дыхании имеет тот же удельный вес, что и вода, а сделав глубокий вдох, он становится легче воды.
В эволюции плавательный пузырь возник из кишечника. Часть пищевода или желудка обособилась и стала служить не для питания, а для регуляции удельного веса рыбы. На этом этапе эволюции находится, например, песчаная акула: у неё нет плавательного пузыря, но часть желудка обособлена в виде кармана, в который акула заглатывает немного воздуха, чтобы не тонуть.
У некоторых рыб (например, лососёвых, сельдей, карпов) между плавательным пузырём и пищеводом остался узкий канал. Они могут, всплыв на поверхность, заглотить в пузырь воздух, что позволит оставаться в верхних слоях водоёма. Если надо погрузиться глубже, рыба может немного выдохнуть.
У других рыб (тресковых, окунёвых, хека) пузырь совершенно замкнут и отделён от кишечника. Для того чтобы поддуть или слегка спустить его, нужен насос. Насоса у таких рыб даже два, и расположены они в самом пузыре. Особая железа посредством хитрого биохимического механизма забирает газы из крови (а туда они попадают через жабры из воды — ведь в воде даже на большой глубине растворены газы воздуха) и выводит их в пузырь.
А зачем рыбам вообще менять глубину? Прежде всего, в погоне за пищей, например планктоном, который то всплывает, то погружается. Ещё — чтобы скрыться от хищников, поджидающих на определённой глубине. Некоторые виды всплывают или погружаются для нереста, а вне периода размножения живут на другой глубине.
Наконец, у многих рыб плавательного пузыря вовсе нет. Это донные виды, например камбала, которые тихонько плавают у дна и собирают с него пищу. Плавательного пузыря нет у хрящевых рыб — акул и скатов. Возможно, потому, что их скелет, состоящий из хрящей, легче костного скелета других рыб. Обходятся без пузыря и быстро плавающие хищные рыбы, например тунец, атлантическая скумбрия (её скорость в броске достигает 77 км/ч). Мощная мускулатура этих хищников позволяет им быстро менять глубину и сопротивляться погружению.
У рыб есть и иные способы снизить удельный вес, чтобы не тонуть. Например, накапливать жир, ведь он легче воды. Так, у одного из видов акул печень на 75% состоит из жира (у млекопитающих в печени 5% жира). Другой вариант — за счёт активной работы почек избавляться от тяжёлых солей в крови и других жидкостях внутри тела. Недаром моряки, потерпевшие кораблекрушение, если в шлюпке кончился запас пресной воды, пьют сок, выжатый из морских рыб: он почти пресный.
Но если какой-то орган у живого организма есть, надо использовать его как можно шире, чтобы зря не простаивал. Некоторые рыбы издают с помощью своего пузыря звуки, другие используют его как резонатор для повышения чувствительности слуха. Пузырь может служить датчиком глубины: при всплытии его объём увеличивается, при погружении уменьшается, и нервные окончания это чувствуют.
Наконец, воздух из пузыря рыба может использовать как запас для дыхания при спринтерском рывке.
И вот что интересно: из плавательного пузыря рыб возникли лёгкие наземных позвоночных, в том числе человека.
Почему рыбы не тонут?
Юрий Фролов,
биолог
«Наука и жизнь» №1, 2015
Всем известно, хотя бы из приключенческих и военных кинофильмов, как маневрирует на глубине подводная лодка. У неё есть специальные цистерны, куда можно закачивать забортную воду либо вытеснять её сжатым воздухом. Больше воды — лодка тяжелеет и погружается глубже, больше воздуха — всплывает.
Примерно так же поступают и многие рыбы. Только цистерна у них эластичная, меняющая свой объём — это плавательный пузырь, лежащий в брюшной полости. Вы наверняка его видели, если когда-либо наблюдали, как чистят свежую рыбу.
Типичная рыба примерно на 5% тяжелее воды. Если она не будет прилагать усилий, то опустится на дно. Плавательный пузырь уравнивает удельный вес рыбы с удельным весом воды, что позволяет рыбе висеть неподвижно, не всплывая и не опускаясь.
А чтобы ненамного изменить глубину, достаточно слегка подрабатывать плавниками. Регулировать глубину, разумеется, надо и на ходу. Физиологи определили, что плавательный пузырь, поддерживая плавучесть при небольшой скорости, экономит рыбе до 60% усилий, а при быстром движении — более 5%. Кстати, человек при неглубоком дыхании имеет тот же удельный вес, что и вода, а сделав глубокий вдох, он становится легче воды. Так что утонуть нам не так-то легко.
В эволюции плавательный пузырь возник из кишечника. Часть пищевода или желудка обособилась и стала служить не для питания, а для регуляции удельного веса рыбы. На этом этапе эволюции находится, например, песчаная акула: у неё нет плавательного пузыря, но часть желудка обособлена в виде кармана, в который акула заглатывает немного воздуха, чтобы не тонуть.
У некоторых рыб (например, лососёвых, сельдей, карпов) между плавательным пузырём и пищеводом остался узкий канал. Они могут, всплыв на поверхность, заглотить в пузырь воздух, что позволит оставаться в верхних слоях водоёма.
У других рыб (тресковых, окунёвых, хека) пузырь совершенно замкнут и отделён от кишечника. Для того чтобы поддуть или слегка спустить его, нужен насос. Насоса у таких рыб даже два, и расположены они в самом пузыре. Особая железа посредством хитрого биохимического механизма забирает газы из крови (а туда они попадают через жабры из воды — ведь в воде даже на большой глубине растворены газы воздуха) и выводит их в пузырь. На другом конце пузыря имеется участок, пронизанный кровеносными сосудами. Через них газы при необходимости переносятся обратно в кровь. Оба процесса идут довольно медленно.
А зачем рыбам вообще менять глубину? Прежде всего, в погоне за пищей, например планктоном, который то всплывает, то погружается. Ещё — чтобы скрыться от хищников, поджидающих на определённой глубине. Некоторые виды всплывают или погружаются для нереста, а вне периода размножения живут на другой глубине.
Наконец, у многих рыб плавательного пузыря вовсе нет.
Это донные виды, например камбала, которые тихонько плавают у дна и собирают с него пищу. Плавательного пузыря нет у хрящевых рыб — акул и скатов. Возможно, потому, что их скелет, состоящий из хрящей, легче костного скелета других рыб. Обходятся без пузыря и быстро плавающие хищные рыбы, например тунец, атлантическая скумбрия (её скорость в броске достигает 77 км/ч). Мощная мускулатура этих хищников позволяет им быстро менять глубину и сопротивляться погружению. Но вывести какое-то общее правило — у кого и почему пузырь есть, а у кого нет — довольно трудно. Из двух близкородственных видов со сходным образом жизни один может не иметь пузыря, у другого он вполне развит.
У рыб есть и иные способы снизить удельный вес, чтобы не тонуть. Например, накапливать жир, ведь он легче воды. Так, у одного из видов акул печень на 75% состоит из жира (у млекопитающих в печени 5% жира). Другой вариант — за счёт активной работы почек избавляться от тяжёлых солей в крови и других жидкостях внутри тела.
Но если какой-то орган у живого организма есть, надо использовать его как можно шире, чтобы зря не простаивал. Некоторые рыбы издают с помощью своего пузыря звуки, другие используют его как резонатор для повышения чувствительности слуха. Пузырь может служить датчиком глубины: при всплытии его объём увеличивается, при погружении уменьшается, и нервные окончания это чувствуют. Наконец, воздух из пузыря рыба может использовать как запас для дыхания при спринтерском рывке.
И вот что интересно: из плавательного пузыря рыб возникли лёгкие наземных позвоночных, в том числе человека.
«Почему рыба не существует» позволяет извлекать уроки из вдохновения, несмотря на сложность: NPR
Ученый Дэвид Старр Джордан посвятил свою карьеру выявлению новых видов рыб.
Он бережно хранил и помечал тысячи из них в стеклянных банках. Затем произошло великое землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году, и работа всей его жизни разлетелась на пол.
В своей части истории и части мемуаров Почему рыбы не существуют Лулу Миллер, бывшая ведущая подкаста NPR Invisibilia, пишет о том, как Джордан — и его реакция на тот момент — вдохновили ее. В книге она пишет:
«Он не сдался и не отчаялся. Он не прислушался к тому, что, казалось, было четким сигналом землетрясения о том, что в мире, где правит хаос, любые попытки навести порядок в конце концов обречены на провал. Вместо этого он бросил засучил рукава и рыскал по округе, пока не нашел из всего оружия в мире швейную иглу».
Но по иронии судьбы Миллер в конце концов обнаруживает несколько скучных эпизодов из жизни Джордана. Она говорит, что усвоила уроки, которые он ей дал, и двигалась вперед с ними, просто позволяя уйти другим бесполезным и разрушительным вещам.
«Думаю, здесь есть уроки на данный момент: не сидеть без дела, изучая то, что у вас украдено или потеряно, а просто использовать этот момент для инноваций», — говорит она.
О том, как ученый Дэвид Старр Джордан вдохновил ее
Я не думал, что стану одержим им; Я серьезно намеревался, возможно, написать небольшое эссе о том, что с ним стало. Но, по сути, он был ученым, и мне было очень любопытно, откуда у него столько оптимизма в этот момент полного крушения. И я думаю, что в некотором смысле для меня вопрос, который у меня был: что вселило в него такую надежду, когда казалось таким ясным, что то, что он пытался сделать, никогда не сработает?
Я надеялся, что это может дать мне ответы на некоторые вопросы, так это мысль о том, что у него, похоже, была вера без веры… и мне было интересно, как он это придумал. Мол, как он только что пришел к оптимизму, когда также смотрел в лицо какой-то кажущейся бессмысленности и абсолютно обреченным шансам. И для меня это всего лишь личный вопрос, потому что я всегда рос без веры и с отцом, который был своего рода догматическим атеистом и при любой возможности запихивал нам в глотку бессмысленность.
И поэтому я думаю, я не знаю, это был просто интуитивный вопрос: ну, как этот парень так надеется и уверен в себе — даже будучи ученым и кем-то, кто в других сферах своей жизни просто страстно скептичен и отвергает все, что считает магическим мышлением или незаслуженным оптимизмом. Итак, я задавался вопросом, как он, как он варил свой собственный оптимизм.
О желании навести порядок во всем
Я имею в виду, даже как журналист, как человек, пытающийся разобраться во всем окружающем нас хаосе и неразберихе, я иногда думаю, что это похоть, это стремление к порядку или для истории — для значения — с одной стороны, это самая естественная вещь в мире, потому что в противном случае мы просто ошеломлены и снесены путаницей. Но с другой стороны, желание увидеть историю или увидеть порядок действительно может быть опасным. И вы, как журналист, можете пойти по короткому пути и исключить из истории то, что полностью искажает повествование, или рассказать что-то ложное или вредное.
И поэтому я думаю, что этот импульс очень глубок и силен во мне. И это также то, что пугало меня, и это, я думаю, просто то, что я всегда хочу изучить и улучшить в балансировании, вы знаете, я думаю, что-то вроде баланса между бессмысленностью, с которой мы живем, и смыслом, к которому мы стремимся. получить, чтобы сделать жизнь немного легче. …
Я думаю, что для того, чтобы жить, мы постоянно занимаемся этим почти махинацией во всем, что мы делаем, собирая людей и говоря, что они все такие, или присваивая категории существ или идей. Я имею в виду, во всем, что мы делаем, мы ищем эти прокси, чтобы проанализировать хаос. И я думаю, что иногда эти категории, даже те, которые кажутся абсолютно определенными и просто незыблемыми, имеют настоящие — что они затемняют нюансы. Это просто то, что я имею в виду, честно говоря, я не знал, когда начинал книгу, что это будет именно то, к чему она привела. Это своего рода наблюдение за этой историей дикаря привело меня к некоторым более глубоким идеям о том, почему мы должны не доверять категориям, которые звучат так абстрактно, когда вы говорите об этом таким образом.
Но то, куда ведет история, заставляет вас понять, почему это действительно важно.
Обнаружив, что ее «герой» мог быть «злодеем»
Назвав вещь, мы рискуем остановиться, чтобы ее увидеть. … Я пошел на это, желая притчи и задаваясь вопросом, знаете ли, если я буду вести себя как он с просто глупым оптимизмом, все ли будет в порядке, даже если это кажется опасным путем? А потом, с одной стороны, он вышел, показав поучительную историю. Я имею в виду, широта его крушения, его насилие, его жестокость совершенно ошеломляют. Как будто вы не можете себе представить, что один человек может навредить стольким жизням людей.
…правда он тоже комплексовал. И на самом деле, я думаю, что есть — кое-что, с чем я считался, когда думал об этом моменте — я думаю, что у него на самом деле также есть несколько полезных уроков о том, как двигаться вперед — я думаю, правда в том, что, знаете, я хотел моральная ясность и нравственное наставление, а затем я получил еще больше двусмысленности и сложности.
…
Я думаю, что вы смотрите на вещи, которые он делал хорошо, и учитесь на них, и смотрите на вещи, которые он делал плохо, и учитесь на них. И я думаю, вы знаете, опять же, для меня один урок заключается в том, что немного, может быть, глупого оптимизма может на самом деле позволить вам случайно победить. По крайней мере, если вы продолжите и попытаетесь, вы продолжите пытаться и изобретете клапан для 3D-принтера, который будет дешев, и вы рискуете получить иск, как те итальянские парни — например, если вы попробуете это, вы действительно можете немного продвинуться. . Вы можете спасти несколько жизней. В то время как, если вы просто сидите и смотрите назад на все потери и все остальное, и на абсолютную пугающую невозможность того, что впереди, это никуда вас не приведет.
Так что я думаю, что он является уроком своего рода алхимии иллюзии, которая, как вы знаете, мания величия может привести к реальности величия. Это странно, но немного незаслуженного оптимизма может помочь вам достичь немыслимых вещей.
Но в то же время, что я пытаюсь сделать, так это то, что для меня его худшая ошибка заключалась в том, что он слишком сильно цеплялся за свои убеждения. И как бы возвращаясь к этой идее категорий. Это, я думаю, его самый большой грех, он начал как молодой ученый с этой идеей, что наука вообще ненавидит верования — это то, что сказал ему его учитель, и его учили опасаться любых верований и смотреть на природу , а не книги. В конце концов, он начал очень крепко цепляться за одно конкретное убеждение, независимо от того, сколько людей выступало против него или приводило контраргументы, и он просто не мог отпустить. И это своего рода обратная сторона этого, это как бы иметь некоторую веру в себя, но также быть в состоянии отпустить и знать, что в неуверенности и в своего рода недоверии к своим собственным убеждениям на самом деле, я думаю, истинный путь к спасению жизней и достижению прогресса — это просто быть открытым для пересмотра своих убеждений.
О том, как изменились ее взгляды на эту историю после того, как разразилась пандемия
Я имею в виду, я думаю и думаю честно, если бы мы говорили об этом два месяца назад [до пандемии коронавируса], я бы сильно подробнее ‘Прочитайте поучительную историю.
Будьте осторожны со своими убеждениями. Будьте открыты для неопределенности». … Но я говорю с вами посреди полнейшего хаоса. И я думаю, что начинаю понимать, чувак, знаешь, я был немного ошеломлен и парализован. И я начал видеть, знаете, такие люди, как вы, ребята, начинают национальный разговор, что бы это ни было, люди помогают, аплодируют медработникам со своих балконов, люди что-то изобретают — просто пробуют. … Это люди, которые вели себя так же, как он. И он был действительно хорош в хаосе. Я имею в виду, катастрофа обрушивалась на его жизнь снова, снова и снова. Еще одна часть его работы была поражена молнией и сожжена дотла. Затем произошло землетрясение. Он не сидел и не оплакивал потерю. Он просто пробовал новые вещи. И вот я вдруг подумал: «Я только что написал эту книгу, которая является поучительной историей, но, черт возьми, из нее есть уроки».
Почему рыбам нужны деревья, а деревьям нужна рыба, Департамент рыбы и дичи Аляски
Энн Пост
Медведи часто затаскивают лосося в лес и поедают только части рыбы, предоставляя остальную часть другим животным и растениям, которые получают значительную выгоду от питательных веществ.
На фото Эми Гулик.
Альберт Эйнштейн однажды сказал: «Если судить о рыбе по ее способности взбираться на дерево, она проживет всю жизнь, считая себя глупой». Эта статья не о самооценке рыб, а о том, как лосось или, по крайней мере, некоторые его части на самом деле «лазают» по деревьям. Как показывают исследования, деревья зависят от лосося, а лосось зависит от деревьев. И в процессе бесчисленное количество растений и животных получают выгоду от невероятного обмена питательными веществами, присущего каждой части процесса.
Лосось является анадромным видом – он начинает свою жизнь в пресноводных озерах, ручьях и реках, затем мигрирует в соленую воду, где проводит, в зависимости от вида, от двух до семи лет в море, прежде чем вернуться в пресную воду для нереста. Зачем ходить в море? Пресноводные озера, ручьи и реки бедны питательными веществами. Чтобы вырасти большим, лососю нужно изобилие пищи, которую дает море.
Когда они возвращаются на нерест, лосось становится настоящим конвейером для питательных веществ.
Например, возвращающаяся на нерест взрослая кета содержит в среднем 130 г азота, 20 г фосфора и более 20 000 кДж энергии в виде белка и жира; 250-метровый участок лосося на юго-востоке Аляски получает более 80 кг азота и 11 кг фосфора в виде тканей кеты чуть более чем за один месяц.
По мере того, как тела нерестящегося лосося разрушаются, азот, фосфор и другие питательные вещества становятся доступными для прибрежной растительности. По словам Роберта Наймана из Вашингтонского университета, прибрежная растительность получает чуть менее 25% азота от лосося. Другие исследователи сообщают, что до 70 процентов азота, содержащегося в листве прибрежной зоны, поступает из лосося. В одном из исследований делается вывод о том, что деревья на берегах рек, заселенных лососем, растут более чем в три раза быстрее, чем их собратья вдоль рек, свободных от лосося, и, растущая бок о бок с лососем, ситкинской ели требуется 86 лет, а не обычные 300 лет, чтобы достичь толщиной 50 см.
Взрослая кета, возвращающаяся на нерест, содержит в среднем 130 г азота, 20 г фосфора и более 20 000 кДж энергии в виде белка и жира.
Ученым давно известно, что содержание азота в дереве можно измерить по его годичным кольцам, и несколько исследовательских проектов изучают связь между азотом, годичными кольцами деревьев и размером прошлого лосося. Используя инкрементный бур, исследователи извлекают небольшие образцы древесины в форме карандаша из сердцевин древних деревьев. Затем измеряется поперечное сечение годичных колец в образцах керна для определения содержания азота. Источники растворимого азота, обнаруженные в остатках сока, удаляются, чтобы обеспечить точное определение морского азота во время образования колец.
Используя комбинацию ручьев со взрослыми деревьями и годы известного побега лосося — количество лосося, возвращающегося на нерест, — ученые обнаружили, что исторические колебания уровня азота, взятые из годичных колец деревьев, показывают положительную корреляцию с известным количеством лосось, вернувшийся на нерест в прошлом году. Использование годичных колец для реконструкции исторических возвратов лосося во многих водоразделах, где все еще существуют зрелые прибрежные деревья, но отсутствуют записи о побегах, может стать ценным инструментом.
И поскольку лосось по всему миру колеблется или исчезает, древние деревья могут помочь нам раскрыть секреты прошлого, чтобы управлять рыболовством в будущем.
Но вернемся к настоящему! Посетите ручей во время нереста, и вы обязательно увидите медведей, волков, орлов, воронов, ворон и чаек, речных выдр и норок, ловящих богатого питательными веществами лосося. Медведи часто перетаскивают свою добычу на берега ручьев или на опушки леса, чтобы поесть, и как только они съедают жирную икру, живот, мозг и кожу, остальная часть туши остается нетронутой и доступна для других животных, таких как насекомые и мелкие млекопитающие. Поскольку выщелачивание дождем и микробная активность еще больше разрушают туши, питательные вещества становятся доступными для растений в прибрежной зоне.
Нерка возвращается на нерест. Когда они возвращаются, лосось становится настоящим конвейером для питательных веществ.
И так же, как деревьям нужен лосось, лосось зависит от деревьев. Каждая часть дерева участвует в обогащении ручья водной жизнью, от его крошечных иголок до его сильных скрученных корней.
Прибрежная растительность затеняет нерестовые ручьи, сохраняя развивающуюся икру прохладной. В листьях и хвое прибрежных растений обитают наземные беспозвоночные, которые падают в воду и кормят подрастающую молодь лосося. Фактически, падающие листья сами по себе обеспечивают пищу и убежище, необходимые для популяций водных насекомых, которые также кормят молодь лосося следующего года. Корни деревьев стабилизируют берега ручьев, замедляя эрозию и защищая лососей в чистой воде, необходимой для выживания. Упавшие деревья создают бассейны, которые укрывают молодую рыбу и дают место для отдыха вдали от сильных течений. Упавшие деревья также направляют течение реки, накапливают и распределяют отложения и создают ручьи и водопады. Органические вещества, захваченные древесными остатками, служат пищей и жильем для водных насекомых. Работая техником по рыболовству в Лесной службе США, я провел одно лето, бросая корневые пыжи и ветки деревьев в ручьи, которые когда-то были очищены, потому что считалось, что мусор мешает миграции рыб.