У животных имеется множество замечательных приспособлений, позволяющих им удерживать вертикальное положение в воде. Большинство, чтобы не тратить лишнюю энергию, решает задачу уравниванием плотности своего тела с плотностью воды. За это отвечает плавательный пузырь, серебристый заполненный воздухом мешочек, который мы находим обычно в брюхе выпотрошенной рыбы. Этот орган позволяет рыбе регулировать плавучесть в зависимости от глубины обитания. Нейтральная плавучесть весьма выгодна, поскольку в этом случае рыбе не нужно тратить энергию на поддержание горизонтального положения в воде, однако у нее есть свой недостаток. Заплывая ниже своей обычной глубины, рыба, как ныряльщик с полными легкими воздуха, вынуждена прилагать усилия, чтобы не утонуть, поскольку воздух в плавательном пузыре сжимается под давлением и плавучесть падает. И наоборот, если рыба поднимается выше привычной глубины, воздух расширяется и добавляет плавучести, поэтому рыбе приходится устремляться ниже, чтобы ее не вынесло на поверхность. Хотя рыба может регулировать естественную плавучесть, добавляя или сокращая количество воздуха в пузыре, происходит это медленно, поэтому рыбы обычно прикованы к одному слою океанской толщи как авиалайнеры, распределяющиеся по эшелонам. У многих рыб пузырь замкнутый, никак не сообщающийся с внешним пространством, поэтому, если рыбу быстро извлечь из воды, пузырь, распираемый стремительно расширяющимся воздухом, может разорваться или вытолкнуться через рот. Некоторые рыбы (акулы, например) не имеют плавательного пузыря, поэтому, чтобы не утонуть, вынуждены находиться в постоянном движении. Однако у гигантской акулы, которая меньше времени проводит в беспорядочном рыскании, имеется большая маслянистая печень, помогающая ей достичь нейтральной плавучести.
Плавательный пузырь почти целиком заполнен кислородом, поглощению которого препятствуют слои кристаллов гуанина на стенках. Помимо прочего, эти кристаллические слои защищают клетки стенок пузыря от токсического воздействия кислорода на глубине. Гуанин сам по себе весьма интересная молекула именно он придает блеск рыбьей чешуе, он обнаруживается в птичьем помете (это основная составляющая гуано) и, самое главное, является одним из четырех азотистых оснований, образующих ДНК.
Еще одно удивительное подводное существо жемчужный наутилус, родственник древних аммонитов и современных осьминогов с кальмарами. Его называют также «камерным» наутилусом, поскольку его раковина разделена на несколько отсеков-камер. По мере взросления моллюск приращивает к раковине новые камеры по одной в три-четыре месяца. Каждая камера отделяется от соседней перегородкой под названием «септа». Эти перегородки образуют каркас, укрепляющий раковину и предотвращающий ее сплющивание под давлением воды. Сам моллюск обитает в последней камере, а остальные заполняются газом под атмосферным давлением и обеспечивают плавучесть. Формируясь, камера накачивается соляным раствором, но затем соли постепенно выводятся, в процессе осмоса забирая с собой и воду, а на ее место проникает газ. Поскольку газ этот содержится в твердостенной раковине, наутилус не подвержен влиянию перепадов давления и может свободно плавать на разной глубине, ограниченной лишь давлением, которое может выдержать сама раковина. Днем он отсиживается на глубине около 400 м, а на ночь всплывает на кормежку на мелководье около 150 м. Наутилусов вылавливали и на 600 м, однако, как показывают эксперименты, на глубине 750 м раковина уже трескается под давлением воды. Эта глубина и является для наутилуса предельной.
Еще одно удивительное подводное существо жемчужный наутилус, родственник древних аммонитов и современных осьминогов с кальмарами. Его называют также «камерным» наутилусом, поскольку его раковина разделена на несколько отсеков-камер. По мере взросления моллюск приращивает к раковине новые камеры по одной в три-четыре месяца. Каждая камера отделяется от соседней перегородкой под названием «септа». Эти перегородки образуют каркас, укрепляющий раковину и предотвращающий ее сплющивание под давлением воды. Сам моллюск обитает в последней камере, а остальные заполняются газом под атмосферным давлением и обеспечивают плавучесть. Формируясь, камера накачивается соляным раствором, но затем соли постепенно выводятся, в процессе осмоса забирая с собой и воду, а на ее место проникает газ. Поскольку газ этот содержится в твердостенной раковине, наутилус не подвержен влиянию перепадов давления и может свободно плавать на разной глубине, ограниченной лишь давлением, которое может выдержать сама раковина. Днем он отсиживается на глубине около 400 м, а на ночь всплывает на кормежку на мелководье около 150 м. Наутилусов вылавливали и на 600 м, однако, как показывают эксперименты, на глубине 750 м раковина уже трескается под давлением воды. Эта глубина и является для наутилуса предельной.
В отличие от людей, которые не могут задерживать дыхание надолго, морские млекопитающие, утки и черепахи показывают более впечатляющие результаты. Рекорд более чем в 20 раз превышающий человеческий, принадлежит морскому слону, совершившему непрерывный двухчасовой заплыв под водой. Однако большинство погружений длится куда меньше. Невероятная способность морских слонов объясняется вовсе не тем, что его легкие вмещают больше кислорода (как мы уже знаем, слоны, наоборот, выдыхают перед погружением, чтобы избежать кессонной болезни). У китов и тюленей больше относительный объем крови, которая, в свою очередь, обладает более высокой, чем у человека, способностью переносить кислород, поэтому количество кислорода в крови этих морских млекопитающих гораздо выше. Кроме того, кислород запасается в мышцах, связываясь с миоглобином молекулой белка, сходной по структуре с гемоглобином, пигментом крови, выполняющим функцию переноса кислорода. В мышцах кашалота содержится в десять раз больше миоглобина на килограмм веса, чем у человека (именно миоглобин придает мясу кашалотов насыщенный темно-красный цвет). И наконец, мышцы морских млекопитающих содержат большое количество креатинфосфата, служащего источником энергии (см. гл. 5). Благодаря этим особенностям у тюленей Уэдделла и китов образуется запас кислорода на 20 минут несколько больше, чем длится обычный их заплыв.
Иногда тюлени Уэдделла могут совершать длительные подводные заплывы, продолжительностью до одного часа. Происходит это за счет того, что, израсходовав весь кислород, накопленный миоглобином, мышца переключается на анаэробный метаболизм, при котором кислород не используется (см. гл. 5). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая должна затем выводиться из тканей в процессе, требующем участия кислорода. Поэтому, чем дольше тюлень остается под водой, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше кислорода ему потребуется на поверхности, чтобы от нее избавиться. Вот почему после долгого заплыва тюлень Уэдделла выдерживает на поверхности более длительную, чем обычно, паузу до следующего погружения.
У морского слона все гораздо загадочнее. Как и тюленю Уэдделла, запасов кислорода ему хватает примерно на 20 минут. И тем не менее он способен продержаться под водой свыше часа и, всплыв, почти сразу же погрузиться снова. Судя по всему, молочная кислота у него не образуется и избавляться от нее ему не нужно, так что запаса кислорода ему хватает на более долгий срок. Никто пока не знает, как ему это удается, но согласно одной из гипотез, во время долгих заплывов у морского слона резко падает скорость метаболизма. У многих морских млекопитающих, в том числе и морских слонов, при нырке сразу же снижается частота сердцебиения включается «рефлекс ныряльщика». Сокращаются кровеносные сосуды, питающие кожу и внутренности, и происходит отток крови к мозгу и сердцу. В менее насыщаемых кровью тканях скорость метаболизма падает, сокращая их потребность в кислороде. Таким образом, перераспределение крови способствует растягиванию ограниченного запаса кислорода. Но пока это всего лишь предположение, и мы не можем однозначно сказать, как морскому слону удаются такие долгие заплывы.
Кроме морского слона существуют и другие загадочные создания. Например, утконосы, которые тоже любят подводный отдых и могут довольно долго лежать на дне ручья, устроившись между корнями какого-нибудь дерева. Зеленая черепаха Chelonia mydas зимует на дне Калифорнийского залива, где проводит в спячке несколько месяцев, зарывшись в ил и морскую траву. И хотя скорость метаболизма во время спячки существенно снижается, все равно неизвестно, как черепаха запасает необходимое количество кислорода. К сожалению, выяснить это будет затруднительно, поскольку места спячки черепах, известные прежде лишь местным индейцам сери и тщательно оберегавшиеся, были открыты мексиканскими рыбаками с современными рыболовными снастями, и поголовье черепах резко сократилось.
Плавание с аквалангом
В середине прошлого века в подводном плавании произошла революция появился акваланг, автономный аппарат для дыхания под водой. Главный шаг был сделан в 1943 г., когда двое французов, Жак Кусто и Эмиль Ганьян, разработали клапан для подачи воздуха по требованию. Как следует из названия, клапан по мере надобности подает ныряльщику воздух, находящийся под тем же давлением, что и окружающая вода. Остальное снаряжение состоит из одного или более баллонов сжатого воздуха, крепящихся на спину, маски и ласт. Заметим, что такое полезнейшее для пловца изобретение, как ласты, появилось, как ни странно, лишь в 1935 г., и то сперва в достаточно грубой форме деревянно-металлических лопаток.
Поначалу акваланг применяли для обнаружения и обезвреживания вражеских мин после Второй мировой войны, но уже в 1960-х он был представлен широкой публике в серии замечательных документальных фильмов, снятых Кусто и супругами Лотте и Гансом Хасс. В кадрах с коралловыми рифами, дельфинами, акулами и прочими необычными морскими созданиями открывалась многообразная и сложная жизнь океанских глубин. Зрители завороженно наблюдали за этим фантастическим миром, где человек свободно парил между стаями разноцветных рыбок, где морские звери не кидались прочь в испуге, где морское дно было усеяно сокровищами только руку протяни, и где мало кому довелось побывать прежде. Публика загорелась желанием увидеть эти чудеса своими глазами, и производство аквалангов начало стремительно набирать обороты. Число дайверов-любителей неуклонно росло. Однако, как мы уже успели убедиться, в подводном мире, при всем его великолепии, есть свои опасности, поэтому будущим аквалангистам настоятельно рекомендуется, прежде чем опускаться под воду, пройти хороший курс обучения.
Нижняя безопасная граница для погружений на сжатом воздухе (будь то с аквалангом или с закачиванием воздуха с поверхности) составляет около 30 м. Определяют ее содержащиеся в дыхательной смеси газы, поскольку под давлением и азот, и кислород становятся токсичными.
Экстаз глубины
Под давлением в несколько атмосфер азот вызывает интоксикацию организма, которую Жак Кусто назвал «экстазом глубины». Симптомы проявляются не сразу и напоминают алкогольное опьянение эйфория, повышенное возбуждение, отрыв от реальности, потеря координации, иррациональное поведение. Чувство эйфории иллюзорно и опасно, поскольку по мере погружения ныряльщик будет проникаться все большей ложной уверенностью в собственных силах, одновременно теряя дееспособность. В легкой форме азотная интоксикация (так называемый азотный наркоз) возникает на глубине 50 м. На большей глубине симптомы усиливаются, пока в итоге, на глубине около 90 м, не наступает потеря сознания. При частых погружениях организм постепенно привыкает к воздействию азота (происходит адаптация), и ныряльщик может практически беспрепятственно погружаться на 50-метровую глубину. И тем не менее именно азотный наркоз стал причиной гибели многих ныряльщиков, отважившихся погрузиться глубже, и именно из-за него рекомендуемая глубина погружений на сжатом воздухе 30 м.