Водолазные скафандры и акваланги
Более чем две трети нашей планеты покрыто морями и океанами, и только одну треть составляет суша. Необозримые водные просторы давно привлекали внимание людей, и нет ничего удивительного, что еще в древности люди предпринимали попытки проникнуть в их толщу, но лишь в начале XIX века удалось создать водолазный костюм, позволивший подолгу находиться под водой и дышать за счет нагнетаемого с поверхности по специальному шлангу воздуха. Позже был изобретен кессон, представляющий собой колокол, обращенный отверстием вниз. Колокол опускается на дно, и под него накачивается воздух. Находящиеся в колоколе люди могут вести необходимые подводные работы.
Даже у водолаза, не говоря о кессонных рабочих, радиус действия под водой очень небольшой, ограниченный длиной шланга, по которому поступает воздух. Естественно, что поиски ученых продолжались. Совсем недавно, уже в нашем веке, удалось создать акваланг – автономный водолазный аппарат с баллонами сжатого воздуха или кислорода для свободного передвижения под водой на значительные расстояния.
Примерно с такой же проблемой столкнулись животные, когда им пришлось переселиться в жидкую среду. Некоторые из них шли тем же путем, что и люди, и на десятки миллионов лет предвосхитили создание водолазных приспособлений.
В отличие от людей животным пришлось нырять не только в воду, но и во всякие другие жидкие среды, где кислород мог совершенно отсутствовать, поэтому нередко единственным выходом было брать воздух извне. Примерно в таком же положении оказались паразиты, живущие в теле животных и растений.
Крохотная личинка одного из паразитических насекомых живет в теле крупной африканской саранчи. Проникает этот маленький хищник внутрь своей жертвы через одну из трахеальных трубочек дыхательного аппарата насекомого. Первое время личинка питается стенками своего помещения и быстро растет. Скоро ей становится тесно, и она, проделав в стенке трахеи отверстие, как бы ныряет в ткани хозяина. Но там нечем дышать, а личинке нужен воздух. И тогда она поступает, как ныряльщики на всех морях земного шара: заводит себе дыхательную трубку. Проделав в твердой хитиновой оболочке жертвы отверстие, она прикладывает к нему задний конец брюшка, из которого вскоре вырастает дыхательная трубка. Так, получая воздух через трубку, как водолаз через шланг скафандра, и живет личинка в теле саранчи. Дыхательная трубка понемногу растет, что позволяет личинке проникать все глубже и глубже. Трубка может стать раза в два длиннее самой личинки.
Легко растяжимый и очень длинный сифон, как настоящий водолазный шланг, имеют личинки еристалис. Живут они на дне водоемов, зарывшись в ил. Если водоем в этом месте очень мелок, личинки имеют возможность, не вылезая из ила, выставлять на поверхность воды свой шланг и преспокойно дышать.
Предки водяных насекомых были наземными животными. Переселение в воду иногда не влекло за собой никаких существенных изменений в их дыхательной системе. Дышат они только воздухом. Единственное приспособление к водной среде выразилось в способности делать запасы воздуха, как поступают аквалангисты, отправляясь в подводное странствие. У жуков-плавунцов эти запасы помещаются под надкрыльями, а у гладышей на брюшке. Пузырьки воздуха удерживаются с помощью особых не смачиваемых водой волосков. Отверстия дыхательной системы находятся в местах прикрепления воздушных пузырьков; из этих резервуаров и черпают насекомые необходимый для жизни кислород.
Жук плавунец
То же самое относится и к паукам. Подавляющее большинство из них – характерные наземные животные, дышащие при помощи особых легочных мешков. Тем замечательнее единственный в нашей фауне перебежчик в водную стихию из этого отряда животных – водяной паук серебрянка. Тело его покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к пушку пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая все тело сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, и паук становится похож на живой шарик ртути. Кроме того, выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает более крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними лапками, отправляется в царство Нептуна.
Среди водных растений паук натягивает нити своей паутины точно так же, как это делают его наземные сородичи. Сначала паутина имеет плоский вид. Но по мере того как паук переносит под нее пузырьки воздуха, она начинает выпячиваться, принимая форму наперстка. Получается миниатюрный кессон. В этом кессоне и проводит большую часть жизни паук. Здесь же самка откладывает яички, из которых выводятся молодые паучата.
Паук серебрянка
Сходство с аквалангом и кессоном чисто внешнее. Происходящие здесь процессы гораздо сложнее. Пузырьки воздуха, которые несут на себе насекомые, с одной стороны, являются запасными резервуарами, а с другой – помогают извлекать кислород из окружающей воды. Это приспособление даже получило специальное название – физические легкие.
В воде, как известно, растворены все газы, входящие в состав воздуха, в количестве, пропорциональном их концентрации в атмосфере. По мере того как насекомое дышит, концентрация кислорода в воздушном пузырьке уменьшается, и, когда станет меньше 16 процентов, в воздушный пузырек начинается диффузия кислорода, растворенного в воде. Таким образом, запас кислорода в пузырьке все время пополняется.
Если расход кислорода небольшой, например когда насекомое находится в состоянии покоя, физическое легкое может обеспечить потребность в кислороде в течение неограниченно долгого времени. Если же расход кислорода велик, диффузия его из воды не может своевременно восполнять потерю, процентное содержание кислорода в воздушном пузырьке резко уменьшается, а процентное содержание остальных газов (и в первую очередь азота) повышается и делается значительно большим, чем это обычно бывает в воздухе. Поэтому азот начинает растворяться в воде. Объем воздушного пузырька уменьшается за счет расхода части кислорода на дыхание и растворения азота в воде, насекомое вынуждено всплывать на поверхность для пополнения своих запасов.
Количество воздуха, которое насекомое может унести на себе, невелико, и, если бы не происходило пополнения запасов кислорода из воды, его хватало бы очень ненадолго. Это отчетливо проявляется в тех случаях, когда диффузия газов невозможна. Например, если поместить плавунцов и гладышей в кипяченую воду, они вскоре погибнут, так как в кипяченой воде нет никаких растворенных газов и, следовательно, пополнять запасы кислорода неоткуда.
То же самое произойдет, если посадить этих насекомых в воду, в которой растворен только кислород, и в качестве запаса дать тот же кислород в чистом виде. Запаса хватит не больше чем на полчаса, так как в таких условиях диффузия идти тоже не будет. Обычно же гладыши могут находиться в воде, не пополняя запаса воздуха 6 часов. Так благодаря диффузии кислорода из воды в воздушный пузырек продолжительность пребывания насекомых в воде без возобновления запаса воздуха увеличивается во много раз.
Мелкие насекомые, расход кислорода у которых невелик, могут очень долго не пополнять запас воздуха. Причем, оказывается, они не так страдают от уменьшения запасов кислорода, как от убыли из воздушного пузырька азота. Если водяного клопа посадить в воду, насыщенную кислородом, предварительно тонкой кисточкой убрав под водой воздушные пузырьки и заменив их пузырьками из чистого азота, то насекомые долгое время будут чувствовать себя нормально, так как в пузырек азота очень скоро из воды выделится достаточное для дыхания количество кислорода.
Некоторые насекомые не могут сами всплывать на поверхность за возобновлением запасов воздуха. На тюленях паразитирует несколько родственных между собой видов вшей, которые никогда не покидают своего хозяина и поэтому пополнять запасы воздуха могут только тогда, когда тюлень выходит из воды. В связи с этим они в разной степени приспособлены для длительного пребывания в воде. У видов, живущих на теле тюленя, грудь и брюшко покрыто широкими чешуйками, позволяющими удерживать большое количество воздуха. У видов, живущих только на голове тюленя, таких чешуек нет. Но им и не нужен большой запас, так как тюлень сам дышит воздухом и поэтому очень часто высовывает из воды голову.
Физическими легкими пользуется икра лабиринтовых рыб, для которой родителям приходится сооружать специальную постройку, так называемое гнездо. Оно строится из пузырьков воздуха, заключенных в слюнообразную жидкость. Окруженная лишь тонкой пленкой жидкости, икра, плавая среди воздушных пузырьков, получает достаточное количество кислорода. Убыль кислорода пополняется из воздуха.
Полиакант, живущий в более богатой кислородом среде, строит свои гнезда не на поверхности, а где-нибудь под широким листом подводного растения, под камнем или корягой. Раз в воде есть кислород, физические легкие будут работать и на глубине. Интересно, что полиакант строит свое гнездо в любое время года, а не только в период размножения и пользуется им сам, дыша воздухом из гнезда. Это позволяет рыбе не подниматься на поверхность, где может подстерегать опасность, а оставаться у дна в густых зарослях растений, в завалах коряг. Полиакант забирает из своих кладовых воздух, богатый кислородом, а взамен для обогащения кислородом и очистки от углекислоты возвращает пузырек азота с примесью углекислого газа. Только когда в гнезде станет мало азота, полиакант поднимается на поверхность, чтобы пополнить свои запасы.
