Регулирование плавучести у кашалотов
Jul. 25th, 2024 07:05 pm![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
22sobaki.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ruПишет ![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
kot_bez_bashni:
Выкладываю тут оцифровку из учебника "Океанология" Стива Нешибы:
По причинам, которые не вполне ясны, основной пищей кашалотов служат гигантские кальмары, обитающие на глубинах от 300 до 2000 м. Как млекопитающее, которое дышит воздухом, кашалот в состоянии покоя обязательно должен находиться на поверхности. Плавучесть, необходимая для того, чтобы компенсировать вес его скелета, и защита от больших потерь внутреннего тепла обеспечиваются слоем так называемого китового жира. Он легче воды и у всех китов служит для теплоизоляции. Однако у кашалота в процессе эволюции появилось дополнительное приспособление для повышения плавучести — огромная жировая подушка в голове, заполненная особого рода жировоском — спермацетом.
Почему это китообразное использует два различных механизма увеличения плавучести, если остальные имеют только один? А может быть, основное назначение спермацетового органа — вовсе не увеличение плавучести? Китобои давно знают, что спермацет — это довольно «своеобразный» жир. Данные последних исследований позволяют предположить, что спермацетовый орган дает животному отрицательную плавучесть, а не положительную, и что не имея его, кашалот не мог бы нырять на глубину до 2 км за своей излюбленной пищей.
Чтобы понять, как работает этот механизм, рассмотрим вначале свойства самого спермацета. Как и большинство жидкостей, его можно заморозить, но превращается он при этом не в твердый «лед», а в гель (желеобразную массу наподобие желатина). Важно отметить, что при желатинировании объем, занимаемый спермацетом, сокращается. Более того, фазовый переход жидкость — гель происходит при температуре и давлении, которые характерны для глубины около 100 м в океане.
Следствия этого обстоятельства любопытны. Допустим, во-первых, что животное умеет каким-то образом понижать температуру находящегося в его организме спермацета. Тогда объем его тела при погружении на большую глубину должен уменьшаться и уменьшаться существенно, если учесть огромные размеры его головы. Это означает, что средняя плотность тела должна возрастать так же, как возрастает с глубиной плотность морской воды. Отсюда следует, что при погружении животное может поддерживать нейтральную плавучесть и даже приобретать отрицательную плавучесть и таким образом экономить энергию, которую в противном случае оно должно было бы затрачивать на то, чтобы погружаться, активно работая хвостом (вспомним, что в неподвижном состоянии кашалот будет плавать на поверхности). Преимущество очевидно: чем меньше энергии требуется, чтобы добраться до мест, где обитает добыча, тем больше энергии останется на то, чтобы преследовать ее.
Следующий вопрос состоит в следующем: нуждается ли кашалот в дополнительных средствах для того, чтобы нырнуть на глубину? В экваториальной зоне плотность воды на глубине 1500 м на 0,5% больше, чем на поверхности. На кита весом 50 т, начавшего погружение с нейтральной плавучестью, на глубине 1500 м действовала бы выталкивающая сила в 250 кг. Образно говоря, в этом случае кашалот должен был бы работать в форсированном режиме.
Регулирование плавучести во время погружения
Ясно, что в начале погружения основная часть спермацета находится в жидком состоянии. В процессе погружения кашалот открывает дыхательное отверстие, пропуская холодную морскую воду через широкий прямой носовой канал, проходящий через жировую подушку (см. рис.) В результате тепло быстро передается от спермацета воде, которая затем «извергается» из тела. В конечном итоге от спермацета отнимается столько тепла, что он желатинируется; соответственно средняя плотность тела кашалота возрастает и уравнивается с плотностью окружающей воды. В каком-то смысле животное «проглатывает» свой путь вниз! Однако из-за того, что продолжительность ныряния ограничена возможностями организма, помимо регулирования плавучести кашалот, вероятно, использует активное заглубление с помощью хвоста.
Регулирование плавучести при всплывании
Затраты энергии, необходимые для возвращения на поверхность, кашалот может уменьшить, если каким-то образом обратит в жидкое состояние желатинированный спермацет. Для этого требуется некоторое количество тепла, которое на больших глубинах трудно получить. Если же температура окружающей воды на глубине меньше, чем температура желатинированного спермацета, передача последнему избыточного тепла вообще невозможна.
Кашалот, однако, имеет внутренний источник тепла, которое запасается в мышечных тканях. Поскольку кашалот обладает прекрасной «термоизоляцией» благодаря слою подкожного жира, он практически не отдает избыточное тепло окружающей морской воде путем теплопроводности. Животное прокачивает через мышечные ткани кровь, «забирающую» это избыточное тепло; затем нагретая кровь подается в кровеносную систему спермацетового органа, где под действием тепла спермацет разжижается. Благодаря этому кашалот также экономит время. В обычных условиях из-за хороших изолирующих свойств подкожной жировой прослойки кашалот может обмениваться теплом только с вдыхаемым им воздухом, а этот процесс идет весьма медленно из-за низкой удельной теплоемкости воздуха. Поскольку кашалот использует тепло тела для расплавления спермацета, к моменту, когда он всплывает на поверхность, температура его мышечных тканей понижается, вследствие чего плотность его тела оказывается соответствующей нейтральной плавучести (на поверхности)! Для следующего погружения ему остается лишь запастись кислородом и освободиться от газообразных продуктов метаболизма, таких как С02, — задача, с которой прекрасно справляются легкие.
Наблюдения показывают, что в обычных условиях кашалот погружается со скоростью около 2 м/с (это соответствует быстрой ходьбе человека). Таким образом, погружение на глубину 1000 м занимает около 8 мин. Возвращение на поверхность происходит быстрее — со скоростью 2,5 м/с. Итого на путь туда и обратно у кашалота уходит около 15 мин; еще 35 мин остается для поиска и преследования добычи. Вынырнув на поверхность, кашалот обычно отдыхает примерно 10 мин, делая от 40 до 50 вдохов, чтобы насытить мышечные ткани кислородом. После этого он снова готов к погружению.
kot_bez_bashni:Выкладываю тут оцифровку из учебника "Океанология" Стива Нешибы:
По причинам, которые не вполне ясны, основной пищей кашалотов служат гигантские кальмары, обитающие на глубинах от 300 до 2000 м. Как млекопитающее, которое дышит воздухом, кашалот в состоянии покоя обязательно должен находиться на поверхности. Плавучесть, необходимая для того, чтобы компенсировать вес его скелета, и защита от больших потерь внутреннего тепла обеспечиваются слоем так называемого китового жира. Он легче воды и у всех китов служит для теплоизоляции. Однако у кашалота в процессе эволюции появилось дополнительное приспособление для повышения плавучести — огромная жировая подушка в голове, заполненная особого рода жировоском — спермацетом.
Почему это китообразное использует два различных механизма увеличения плавучести, если остальные имеют только один? А может быть, основное назначение спермацетового органа — вовсе не увеличение плавучести? Китобои давно знают, что спермацет — это довольно «своеобразный» жир. Данные последних исследований позволяют предположить, что спермацетовый орган дает животному отрицательную плавучесть, а не положительную, и что не имея его, кашалот не мог бы нырять на глубину до 2 км за своей излюбленной пищей.
Чтобы понять, как работает этот механизм, рассмотрим вначале свойства самого спермацета. Как и большинство жидкостей, его можно заморозить, но превращается он при этом не в твердый «лед», а в гель (желеобразную массу наподобие желатина). Важно отметить, что при желатинировании объем, занимаемый спермацетом, сокращается. Более того, фазовый переход жидкость — гель происходит при температуре и давлении, которые характерны для глубины около 100 м в океане.
Следствия этого обстоятельства любопытны. Допустим, во-первых, что животное умеет каким-то образом понижать температуру находящегося в его организме спермацета. Тогда объем его тела при погружении на большую глубину должен уменьшаться и уменьшаться существенно, если учесть огромные размеры его головы. Это означает, что средняя плотность тела должна возрастать так же, как возрастает с глубиной плотность морской воды. Отсюда следует, что при погружении животное может поддерживать нейтральную плавучесть и даже приобретать отрицательную плавучесть и таким образом экономить энергию, которую в противном случае оно должно было бы затрачивать на то, чтобы погружаться, активно работая хвостом (вспомним, что в неподвижном состоянии кашалот будет плавать на поверхности). Преимущество очевидно: чем меньше энергии требуется, чтобы добраться до мест, где обитает добыча, тем больше энергии останется на то, чтобы преследовать ее.
Следующий вопрос состоит в следующем: нуждается ли кашалот в дополнительных средствах для того, чтобы нырнуть на глубину? В экваториальной зоне плотность воды на глубине 1500 м на 0,5% больше, чем на поверхности. На кита весом 50 т, начавшего погружение с нейтральной плавучестью, на глубине 1500 м действовала бы выталкивающая сила в 250 кг. Образно говоря, в этом случае кашалот должен был бы работать в форсированном режиме.
Регулирование плавучести во время погружения
Ясно, что в начале погружения основная часть спермацета находится в жидком состоянии. В процессе погружения кашалот открывает дыхательное отверстие, пропуская холодную морскую воду через широкий прямой носовой канал, проходящий через жировую подушку (см. рис.) В результате тепло быстро передается от спермацета воде, которая затем «извергается» из тела. В конечном итоге от спермацета отнимается столько тепла, что он желатинируется; соответственно средняя плотность тела кашалота возрастает и уравнивается с плотностью окружающей воды. В каком-то смысле животное «проглатывает» свой путь вниз! Однако из-за того, что продолжительность ныряния ограничена возможностями организма, помимо регулирования плавучести кашалот, вероятно, использует активное заглубление с помощью хвоста.
Регулирование плавучести при всплывании
Затраты энергии, необходимые для возвращения на поверхность, кашалот может уменьшить, если каким-то образом обратит в жидкое состояние желатинированный спермацет. Для этого требуется некоторое количество тепла, которое на больших глубинах трудно получить. Если же температура окружающей воды на глубине меньше, чем температура желатинированного спермацета, передача последнему избыточного тепла вообще невозможна.
Кашалот, однако, имеет внутренний источник тепла, которое запасается в мышечных тканях. Поскольку кашалот обладает прекрасной «термоизоляцией» благодаря слою подкожного жира, он практически не отдает избыточное тепло окружающей морской воде путем теплопроводности. Животное прокачивает через мышечные ткани кровь, «забирающую» это избыточное тепло; затем нагретая кровь подается в кровеносную систему спермацетового органа, где под действием тепла спермацет разжижается. Благодаря этому кашалот также экономит время. В обычных условиях из-за хороших изолирующих свойств подкожной жировой прослойки кашалот может обмениваться теплом только с вдыхаемым им воздухом, а этот процесс идет весьма медленно из-за низкой удельной теплоемкости воздуха. Поскольку кашалот использует тепло тела для расплавления спермацета, к моменту, когда он всплывает на поверхность, температура его мышечных тканей понижается, вследствие чего плотность его тела оказывается соответствующей нейтральной плавучести (на поверхности)! Для следующего погружения ему остается лишь запастись кислородом и освободиться от газообразных продуктов метаболизма, таких как С02, — задача, с которой прекрасно справляются легкие.
Наблюдения показывают, что в обычных условиях кашалот погружается со скоростью около 2 м/с (это соответствует быстрой ходьбе человека). Таким образом, погружение на глубину 1000 м занимает около 8 мин. Возвращение на поверхность происходит быстрее — со скоростью 2,5 м/с. Итого на путь туда и обратно у кашалота уходит около 15 мин; еще 35 мин остается для поиска и преследования добычи. Вынырнув на поверхность, кашалот обычно отдыхает примерно 10 мин, делая от 40 до 50 вдохов, чтобы насытить мышечные ткани кислородом. После этого он снова готов к погружению.
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2024-07-29 06:07 am (UTC)слишком много в организме изначально сухопутных животных полостей, заполненных воздухом и газами. Да и сама плотность большинства
тканей тела — не так, что-бы была сильно больше плотности воды, а скорее даже наоборот.
В экваториальной зоне плотность воды на глубине 1500 м на 0,5% больше, чем на поверхности. На кита весом 50 т, начавшего погружение с нейтральной плавучестью, на глубине 1500 м действовала бы выталкивающая сила в 250 кг.
Бред оф сив кейбл, извините.
Тело животного — не является монолитным куском некоего материала.
В организме млекопитающих или пресмыкающихся — неизбежно будут лёгкие, в которых имеется запас воздуха, плюс у них имеется кишечник, который [частично] может быть заполнен газами.
С одной стороны — это обеспечивает таким животным избыток положительной плавучести, а с другой — те же лёгкие — достаточно легко будут сжиматься и терять в объёме при росте
внешнего давления — что приводит к более быстрому уменьшению средней плотности тела по сравнению с изменением плотности окружающей моской воды, т.е. с глубиной
"изначально нейтральная плавучесть" — должна скамопроизвольно переходить в отрицательную.
Росно по той же причине — подводные лодки, сбалансированные по плавучести для некоторой глубины — будут "проваливаться" или наоборот, "выпрыгивать" наверх при случайных непроизвольных
отклонениях своей глубины от глубины нейтральной плавучести.
no subject
Date: 2024-07-29 11:21 am (UTC)С другой стороны. Вот кашалот на поверхности набрал полные легкие воздуха и получил положительную плавучесть. Как ему погружаться? До глубины, где наружное давление достаточно обожмет его легкие и плавучесть станет отрицательной, еще нужно добраться. Тут и может пригодиться этот самый спермацетовый мешок, который предварительно сожмется под действием низкой температуры.
И для всплытия хорошо. До зоны положительной плавучести с глубины опять же надо добраться. Подогрели спермацет - объем вырос - положительная плавучесть
no subject
Date: 2024-07-30 05:17 pm (UTC)Ну вот я агрился на тезис, что кашалот при нулевой плавучести у поверхности - с глубиной получит положительную плавучесть, ибо всё обстоит ровно наоборот.
Впрочем, описанные свойства спермацета - мне как раз не нравятся, ибо с глубиной он будет усиливать эффект потери плавучести, а прогреть весьма немаленькую массу на глубине - может оказаться достаточно непросто, и недайбог у кашалота будет недостаточно запасов внутренней энергии, т.е. он окажется голоден...
Теоретически, если "обжать" лёгкие при помощи дыхательных мышц - можно уже начинать погружаться, а насколько их нужно обжимать - требуется смотреть конкретные цифры.
no subject
Date: 2024-07-31 11:05 am (UTC)кашалоты, читающие ваш комментарий с глубины 1500 метров, находятся в недоумении...
no subject
Date: 2024-07-31 05:53 pm (UTC)Чочочочо?
У Вас - личный телепатический контакт с кашалотами, в котором оне рассказывают Вам о том, что с погружением в глубины океана - у них возрастает плавучесть?
no subject
Date: 2024-07-31 06:22 pm (UTC)отнюдь. хотя было бы неплохо.
no subject
Date: 2024-08-01 04:31 am (UTC)Конечно, они используют грузы, но изменение плавучести с глубиной у них незаметно.