4. Лучшие в мире пловцы и ныряльщики.

Способность дельфинов стремительно и свободно плавать, нырять в воду и выпрыгивать на ходу из воды люди наблюдают уже многие столетия. Аристотель называл дельфинов «быстрейшими из животных». Исследователи в процессе наблюдений и экспериментов определяли скорость движения дельфинов. Было установлено, что максимальная скорость дельфинов в свободном плавании находится в пределах 41-48 км/ч. В Калифорнийском океанариуме отмечали случаи, когда скорость косаток в течение небольших промежутков времени находилась в пределах от 40 до 55 км/ч. Но эту скорость нельзя считать «крейсерской», так как даже самые быстроходные дельфины не могут плыть с максимально высокой для них скоростью дольше, чем несколько минут. Плавание дельфина с такой скоростью можно условно сравнить с рывком бегуна-спринтера на старте. А вот когда дельфины плывут возле передней части корпуса быстроходного катера или эсминца, то их скорость может достигать 60-65 км/ч. Правда, в этих случаях скорость дельфинов поддерживается силой волны, образуемой корпусом корабля. Давление гидродинамического поля, создаваемого идущим кораблём, дельфины воспринимают своими подкожными мускулами и нервами и рефлекторно находят положение тела, при котором сопротивление воды минимально. Для того, чтобы эффект воздействия гидродинамического поля ощущался дельфинами, корабль должен идти с достаточно высокой скоростью (25-30 км/ч). В такой ситуации дельфин может плыть часами, а иногда и сутками, не отставая от корабля.

Надо сказать, что воздействие гидродинамического поля дельфины испытывают уже в «раннем детстве». Дело в том, что детёныши дельфина, особенно во время его кормления, плавает рядом с маткой и инстинктивно выбирает такое положение относительно её тела, при котором сопротивление воды наименьшее. Находясь рядом с материнским боком, дельфинёнок экономит силы и плывёт пассивно, но так же быстро, как и мать за счёт давления поля, созданного её стремительным движением.

Природа в течение многих тысячелетий путём естественного отбора вырабатывала у дельфинов способность догонять свою добычу – быстроходных рыб. В результате дельфины приобрели способность стремительно двигаться по поверхности воды, под водой и нырять, быстро погружаясь в глубину, а также выпрыгивать из воды на большую высоту, часто равную длине тела и даже превышающую её. При этом дельфины могут совершать прыжки и в длину, в том числе и при плавании на спине. В процессе прыжка они могут также совершать поворот вокруг оси своего тела. Все эти особенности движения дельфины демонстрируют как в открытом море, так и в искусственных бассейнах.

Нужно отметить, что движение дельфинов в воде отличается большой динамичностью, то есть они способны быстро набирать скорость и ещё быстрее тормозить и останавливаться. Один мощный взмах хвоста – и дельфин проплывает расстояние, равное двум-трём длинам его тела. Двигаясь со средней для него скоростью (20-25 км/ч), дельфин ударом хвоста прекращает движение, проделав «тормозной путь» длиной всего в половину длины своего тела. Такое торможение получается настолько резким, что человеком оно воспринималось бы как гидравлический удар. Плыть дельфин может только вперёд, «заднего хода» он не имеет.

Учёные долго искали ответа на вопросы: как, почему и за счет чего дельфины плавают так быстро?

Главным двигательным органом китообразных является хвост, передняя часть которого – это сжатый с боков стебель, а задняя – горизонтально расположенные хвостовые лопасти. Хвостовой стебель совершает движения вверх-вниз под действием мощных мышц туловища. Когда стебель идёт вниз, хвостовые лопасти поворачиваются вверх и наоборот. Вращательного движения хвоста при плавании дельфин не производит. От частоты и амплитуды взмахов хвоста и углов наклона хвостовых лопастей зависит скорость плавания. Хвостовые лопасти выполняют ещё роль рулей поворота. Спинной однолопастный плавник служит пассивным стабилизатором, а парные грудные плавники действуют в основном как рули глубины. О совершенстве этого двигательного механизма говорят и скорость, и динамика движения дельфина в воде.

Восхищение стремительным движением дельфинов было одним из первых впечатлений, полученных человеком при наблюдении за этими животными. Однако у учёных, занимавшихся изучением дельфинов, восхищение в конце 30-х годов XX века сменилось… недоумением. Дело в том, что английский зоолог профессор Джеймс Грей, изучавший движение водных животных, произведя необходимые расчёты, заявил, что дельфины не должны развивать той скорости, которую они на самом деле развивают. С учётом плотности воды, которая в 800 раз больше плотности воздуха, размеров и массы дельфинов, самая большая скорость, которую согласно гидродинамическим расчётам могут развивать дельфины, не может превышать 20 км/ч. По расчётам Грея получалось, что для достижения скорости в 40-50 км/ч, какую дельфины имеют фактически, сила их мышц должна превышать обычную чуть ли не в 10 раз! На самом деле отношение силы к единице массы мышцы у китообразных, в том числе у дельфинов, приблизительно такое же, как и у всех млекопитающих и не может изменяться в больших пределах. Кроме того, если бы мышцы обладали необычной силой, то дыхательная и сердечнососудистая система дельфинов не смогла бы обеспечить работающие мышцы кислородом. Однако мышцам дельфинов, работающим на «предельной мощности», вполне хватает кислорода. Такое несоответствие теоретических и фактических возможностей китообразных назвали парадоксом Грея.

Причины высокой скорости дельфинов стали искать исследователи разных специальностей. Интересную работу по этой проблеме провёл конструктор ракет Макс Крамер, сподвижник небезызвестного Вернера фон Брауна, создателя ракеты V-2 (ФАУ-2). При больших скоростях воздух оказывает сопротивление движущемуся предмету, почти соизмеримое с сопротивлением воды. Сопротивление движению тела в любой среде определяется формой и скоростью тела. Тело с гладкой поверхностью и хорошо обтекаемой формой испытывает наименьшее сопротивление, так как среда (вода, воздух) обтекает тело спокойным, непрерывным, ламинарным потоком. Наоборот, при плохой обтекаемости и шероховатости поверхности тела обтекающий его поток получит завихрения и срывы сплошности. Такое движение среды называют турбулентным (по латыни турбулентный означает бурный, беспорядочный). Турбулентный поток вызывает значительно большее сопротивление движению тела, чем ламинарный.

Крамер изготовил металлическую модель, точно копирующую формы и размеры дельфина. Поверхность модели тщательно отполировали. Но испытания модели в гидродинамическом канале показали, что и эта модель испытывает обычное для твёрдого тела сопротивление, которое изменяется пропорционально квадрату скорости. Значит, секрет заключается не в гладкости поверхности, во всяком случае, не только в этом.

Изучение строения кожи дельфина показало, что она имеет два основных слоя: эластичный наружный (эпидермис) и лежащий под ним упругий внутренний (дерма с высокими сосочками и жировым отложением).

Крамер правильно предположил механизм «работы» кожи дельфина при его движении в воде. Суть его такова: наружный слой кожи выгибается и пружинит под давлением воды в тех местах, на которые это давление воздействует. Получается так, что там, где вода, обтекающая плывущего дельфина, образует участки турбулентного (вихревого) движения, там кожа дельфина прогибается внутрь, вбирает в образовавшееся углубление турбулентный участок воды, как бы изолируя его от остальной массы воды, ламинарно обтекающей тело животного. На основе этих представлений Крамер разработал сложное искусственное 3-слойное покрытие для торпед, по конструкции похожее на кожу дельфина. Испытания показали, что такое покрытие значительно (на 60%) снижает сопротивление воды движению торпеды на большой скорости (70 км/ч). Но никакие дальнейшие усовершенствования этого покрытия не могли привести к более заметному эффекту. А если ещё учесть большую стоимость искусственного покрытия, то станет ясно, что оно не может конкурировать с кожей дельфина. Разумеется, дело не только в строении кожи дельфина. Причина высоких гидродинамических качеств дельфинов заключается также и в том, что их мозг с поразительным совершенством управляет кожей. Информация об изменениях давления на том или ином участке кожи немедленно сообщается головному мозгу миллионами тонких датчиков-рецепторов кожи, а мозг посылает по нервам биотоки-команды соответствующим участкам кожной мускулатуры. При стремительном движении дельфина по его телу идёт мышечная волна, которая, по мнению специалистов, снижает гидродинамическое сопротивление.

Работы учёных Института эволюционной морфологии и экологии животных имени А.Н. Северцова АН СССР показали, что дельфин сохранил функциональную организацию скелетно-мышечного комплекса наземных млекопитающих. Не случайно движения дельфина в воде напоминают прыгающий бег наземных животных. Поперечные колебания тела активно плывущего дельфина происходят в вертикальной плоскости в отличие от движений плывущих рыб, которые извивают своё тело в горизонтальной плоскости.

Анатомия дельфина, в частности, афалины, показывает, что наиболее мощные двигательные мышцы прикрепляются в участках повышенной подвижности тела. Эти участки найдены по кинематическим характеристикам и располагаются, если считать от кончика носа (рострума), на расстояниях в 0,3, 0,75 и 0,95 длины тела. Вокруг этих участков, как вокруг шарниров, вращаются соседние участки тела дельфина. Выяснилось. Что два первых «шарнира» находятся там, где располагаются пояса конечностей у наземных млекопитающих. Кстати, от таких поясов у китов сохранились лопатка и редуцированные тазовые косточки.

Кинематика движений тела дельфина такова, что давление воды от головы к хвосту снижается, что уменьшает степень турбулентности и следовательно, снижает сопротивление водной среды.

Изучение работы кожной мускулатуры и всей двигательной системы дельфинов продолжается учёными многих стран. Имеющиеся на сегодня сведения говорят о высочайшей степени приспособленности дельфинов к жизни и движению воды. В процессе длительной эволюции кожа дельфинов приобрела способность регулировать ламинарный поток воды, предупреждать возникновение турбулентных участков в этом потоке. Движитель дельфина – хвостовой плавник, а также спинной и грудные плавники саморегулируются при движении: их гидроупругость рефлекторно меняется в зависимости от скорости плавания. Результатом этих, почти в полном смысле чудесных, успехов эволюции стала возможность дельфинов плавать со скоростью, выше рассчитанной по формулам гидродинамики. Поэтому теперь вряд ли стоит говорить о каком-то парадоксе, открытом английским учёным Греем 75 лет тому назад. Парадоксом здесь можно считать разве что саму попытку этого учёного использовать законы гидродинамики для объяснения свойств тела, превращённого эволюцией в сложную саморегулируемую биологическую систему.

Все китообразные прекрасно плавают, но ныряют все по-разному. Дельфины, которые питаются в основном пелагическими видами рыб (то есть рыб, обитающих в поверхностном слое морской воды), ныряют легко, но не глубоко (до 25-35 м). Дельфины, питающиеся придонной пищей, ныряют значительно глубже. Например, афалины в Чёрном море ныряют на глубину 80-90 м, а специально обученные афалины могут нырять на глубину 170 м и даже глубже. В естественных условиях время нахождения под водой у дельфинов составляет от 3-4 до 10-15 минут. Для сравнения: наземные млекопитающие не в состоянии приостановить дыхание больше чем на 1,5 минуты. Человек в спокойном состоянии может сделать паузу между вдохами не более чем на 1,0 – 1,5 минуты и только профессиональные ныряльщики могут задерживать дыхание на 2-3 минуты, но это предел.

Чуждая человеку водная стихия впускает в свои глубины только те существа, которые приспособлены к ней. Нетренированный человек без каких-либо приспособлений типа скафандра или акваланга может нырнуть на глубину не более 10-15 м. На большую глубину ныряют ловцы губок в поисках жемчуга, но это уже явления из разряда экстремальных.

О степени приспособленности дельфинов к нырянию можно судить по такому примеру: в одном из американских  океанариумов обучили дельфина за 105 минут нырять по сигналу 50 раз подряд на глубину до 30 м. Это был морщинистозубый дельфин, обитающий в умеренном и тропическом поясе Мирового океана. Его размер достигает 2,5 метра в длину, зубов 100-104 шт. на подъём с глубины 30 м этот дельфин затрачивал в среднем 18 секунд. А вот если бы водолаз в мягком скафандре пробыл на глубине 30 м всего 10-12 минут, то на его подъём потребовалось бы не менее 10 часов. Быстрый, скажем, в течение 2-3 минут подъём человека с такой глубины означал бы его немедленную гибель от кессонной болезни.

Такое большое время на подъём водолаза даже с незначительной глубины (30-40 м) требуется ему для декомпрессии тела. С ростом глубины на каждые 10 м давление воды увеличивается на одну атмосферу. Если водолаз спустился, например, на 150 м, то на него воздействует давление воды в 16 атмосфер. Для уравновешивания такого давления водолазу подают воздух под давлением около 16 атмосфер. При увеличении давления в лёгких водолаза поступает больше воздуха по весу, чем в обычных условиях, а растворимость воздуха в крови растёт. Постепенно кровь во всём теле человека становится насыщенной воздухом, точнее, - основным его компонентом – азотом. При быстром подъёме водолаза давление быстро падает, и кровь как бы закипает: из неё выделяются пузырьки азота, которые могут попасть в крупный кровеносный сосуд, например, в аорту и перекрыть её, а это означает немедленную смерть человека.

Время на декомпрессию сокращают путём совершенствования конструкции аквалангов и скафандров, а также использованием для дыхания водолазов газовой смеси гелия (96-98 %) и кислорода (2-4 %). Такая смесь используется по следующей причине: гелий (нейтральный газ, как и азот) попадает в кровь быстрее и меньше растворяется в ней, а выходит из крови быстрее, чем азот. Поэтому такая смесь более безопасна для человека, чем воздух. Время на декомпрессию в этом случае снижается в 3-4 раза.

А теперь сопоставим факты. Дельфины, даже когда они стремительно, в считанные секунды поднимаются с глубин в десятки и сотни метров, не испытывают никаких неприятных ощущений. Причина здесь в том, что дельфин, заполнив перед погружением свои лёгкие порцией воздуха, уходит с этой одной порцией воздуха на глубину. Воздух в его лёгких находится под нормальным давлением, поэтому азот попадает в его кровь в незначительном количестве, что совершенно безопасно для дельфина.

Но только этого было бы недостаточно для погружения на большие глубины. Для продолжительного ныряния организм дельфинов, как и всех китообразных, обладает рядом физиологических особенностей. Начать с того, что дыхательный акт у китообразных возбуждается не накоплением углекислоты, а наступающим недостатком кислорода в крови. Для сравнения укажем, что у наземных млекопитающих и у человека акт дыхания возбуждается  накоплением углекислоты в крови, и они совершают вдох, когда в лёгких остаётся ещё значительное количество кислорода. Китообразные, таким образом, используют кислород в крови и в лёгких более полно, чем наземные млекопитающие, и могут надолго задерживать дыхание. Лёгкие китообразных очень эластичны и способны быстро сжиматься и расширяться. Поэтому за одно дыхание в их лёгких воздух обновляется на 80-90 %, а у человека даже при глубоком вдохе-выдохе – лишь на 15-20 %.

Существенное значение имеет также такая особенность китообразных, как высокое содержание мышечного гемоглобина, так называемого миоглобина, который насыщается кислородом почти в такой же степени, как и гемоглобин крови. У наземных млекопитающих содержание миоглобина в мышцах в 8-9 раз меньше, чем в мышцах китов. Кровь китообразных, по сравнению с кровью наземных млекопитающих, имеет более высокую кислородную ёмкость. Этот показатель у человека на 20-30 % ниже, чем у китообразных.

Во время ныряния кровь в теле китообразных подаёт кислород в первую очередь в жизненно важные органы – в сердце и головной мозг, а некоторые органы и мышцы не получают кислород из крови (часть вен, несущих кровь от этих органов и мышц, перекрывается при нырянии) и вынуждены обходиться запасами кислорода, содержащегося в миоглобине. В этой ситуации частота сердцебиения резко замедляется, а ткани и органы получают кислород в уменьшенном количестве. Например, если на поверхности воды у дельфина афалины частота пульса была в пределах 100-130 ударов в минуту, то на глубине пульс становится равным 40-50 ударам в минуту.

Работа сердечно-сосудистой системы китообразных, особенно ныряющих на огромные глубины в 1,5-2 и более километров (кашалоты, финвалы, клюворылые киты) содержит ещё много загадок, и её изучение продолжается.

© А.И. Каланов, В.А. Каланов,
  "Живая планета" LifePlanet.org