как рыбы выдерживают давление на большой глубине
Как рыбы выдерживают давление на большой глубине
SciOne запись закреплена
Как глубоководные рыбы выдерживают давление? И почему они умирают у поверхности?
По мере погружения на глубину давление увеличивается на 1 атмосферу каждые 10 метров. Но некоторые рыбы, такие, как, например, абиссобротула, выживают на глубине до 8 км, под впечатляющем давлением. Более того – при меньшем они просто не могут жить!
Каждая система организма глубоководных рыб адаптирована под такую среду обитания, но больше всего, конечно, достается опорно-двигательной. Их скелет и мышцы развиты слабо, а ткани проницаемы для воды – за счет этого внутри они могут поддерживать такое же давление, как и снаружи. Однако именно это не позволяет им быстро всплывать – от перепада давлений внутренности рыб выталкивает наружу через рот, а глаза вылезают из орбит.
Зато у таких рыб отличный баланс метаболических реакций: при увеличении объема в процессе реакции она тормозится давлением, и наоборот.
Так же, как и прочим рыбам, глубоководным нужен гидростатический орган, но обычный плавательный пузырь для этого не годится. У некоторых видов он вовсе отсутствует, и его функцию выполняет жирная печень. У других он целиком наполнен жидкими жирами.
В целом плотность животной ткани выше, чем у воды, поэтому чем глубже находится среда обитания рыбы, тем менее развит ее скелет и тем более желеобразным выглядит тело.
Pressure test. Как глубоководные рыбы выдерживают давление
Учёные выяснили, что помогает глубоководным рыбам выдерживать чудовищное давление на большой глубине. Для этого им пришлось собрать геном морского слизня Pseudoliparis swirei, самого глубоководного вида рыб. Он обитает Марианской впадине на глубине свыше восьми километров. Результаты оказались весьма любопытными.
Морской слизень Pseudoliparis swirei
Kun Wang et al. / Nature Ecology&Evolution, 2019
Как сообщается в Nature Ecology&Evolution, мутации в геноме уменьшили минерализацию костей P.swirei и ухудшили зрение животных. В то же время, большое число копий или усиленная экспрессия генов, связанных с регуляцией работы клеточной мембраны, позволили рыбам без вреда для себя выдерживать высокое давление на глубине.
Исследователи сравнили геном слизня с девятью видов других костных рыб, в том числе морского слизня Танаки, обитающего в прибрежных водах, колюшки, тихоокеанского голубого тунца, камбалы и данио-рерио. Также учёные сделали рыбам микрокомпьютерную томографию и изучили особенности строения скелета марианских морских слизней.
Они обнаружили генетические изменения, позволившие улучшить работу клеточных мембран. Высокое давление ухудшает их транспортные функции и приводит к нарушению структур и функций, связанных с мембраной белков. Известно, что докозагексаеновая кислота (омега-3 кислота, которая входит в состав многих рыбных жиров) меняет свойства клеточных мембран и, среди прочего, улучшает их проницаемость, сжимаемость и работу связанных с ними белков.
Одно из веществ, предотвращающих нарушение структуры белков при высоком давлении — триметиламин оксид. Он вырабатывается в организме с помощью фермента флавин монооксигеназы-3, который кодируется геном fmo3. У марианских морских слизней экспрессия этих генов выше, чем у других видов костных рыб.
Как рыбы выдерживают давление на большой глубине
Что будет, если глубоководную рыбу поднять на поверхность? рыба поверхность
Тела морских обитателей 6-8-километровых глубин при подъеме на поверхность почти не деформируются.У глубоководных рыб плавательный пузырь заполнен не воздухом, а жировой жидкостью. Ее давление уравновешивается с наружным, и рыбы не тонут и не всплывают. Как известно, жидкость почти не меняет объема при перепаде давления. Именно это и позволяет глубоководным рыбам выдерживать тяжесть огромной толщи воды.Но если вытащить глубоководную рыбу на поверхность воды, внутреннее давление перестает уравновешиваться наружным. Рыбу раздувает, глаза выпучиваются, внутренности выворачиваются через рот. В таком раздутом виде рыба уже не может погрузиться на глубину.
Может у нее случится что-то с давлением
Евгения, а на какой глубине она плавает?
На дне моря и рек, не знаю на какой, но нерест на глубине 25-40 м
Экология: биология взаимодействия. 5.27. (дополнение) Давление на глубине: претерпевание и преодоление
Українська мова (найновіша версія) / Русский язык (обновление прекращено)
5.27. (дополнение) Давление на глубине: претерпевание и преодоление
Иногда воздействия среды столь суровы, что им практически невозможно сопротивляться. Например, это относится к давлению воды на большой глубине.
Мы живем под толстым слоем атмосферы и привыкли не обращать внимания на ее давление, составляющее примерно 1 кг на см 2 поверхности (приблизительно 10 м водного столба). Но при погружении на глубину давление быстро растет. На глубине 10 м оно составляет уже 2 атмосферы (одна — давление воздуха, другая — давление десятиметрового столба воды). Наибольшая глубина океана превышает 11 км, и до самых своих больших глубин Мировой океан населен животными, включая рыб, ракообразных, моллюсков и иглокожих. Как вы можете вычислить, на этой глубине давление превышает 1 100 атмосфер, составляя более 11 тонн на квадратный сантиметр поверхности тела. Может ли живое существо выдержать такое давление?
Представьте себе, что вы опускаете на глубину пустую (то есть заполненную воздухом) жестяную банку. Внешнее давление в 1 100 атмосфер неминуемо сплющит эту банку, уменьшив ее объем в 1 100 раз. Изготовление батискафов (глубоководных аппаратов) позволяющих выдержать такое давление, представляет собой исключительную техническую задачу и требует значительной толщины стенок и иллюминаторов. А что произойдет, если на такую же глубину будет опущена такая же банка, но открытая или хотя бы имеющая отверстие? Ничего особенного! Вода под давлением заполнит банку, не изменив ее формы, ведь внешнее давление на ее стенки будет уравновешено внутренним. Глубоководные организмы противостоят давлению благодаря тому же механизму, что и открытые банки — не сопротивляясь его действию. Ткани населяющих нашу планету организмов имеют водную основу. Вода под давлением практически не сжимается. Внешнее давление на ткани глубоководных организмов уравновешивается внутренним, и потому они его не ощущают.
Можно ли считать, что в таком случае пребывание на большой глубине и на поверхности эквивалентны? Нет. При высоком давлении ускоряются химические реакции, и увеличивается растворимость газов в воде. «Вскипание» (образование пузырьков газа) при уменьшении давления ответственно не только за «игру» газированной воды в открываемой бутылке, но и за раздувание глубоководных рыб, поднятых сетями на поверхность и кессонную болезнь аквалангистов.
А можно ли противостоять чудовищному давлению на глубине? Как ни странно, в некоторой степени можно. И способен к этому кашалот — самый крупный из зубатых китов, приспособленный к охоте на глубоководных кальмаров. Самая примечательная черта внешнего облика кашалота — огромная голова. Она занимает до трети длины тела кашалота и сбоку кажется прямоугольной из-за расположенной над верхней челюстью емкости с восковидным веществом — спермацетом. Название этого вещества связано с тем, что в древности это вещество считали китовой спермой (и предполагали, что кашалот держит в голове огромный запас!). Кстати, именно из-за спермацета кашалотов усиленно истребляли — он является исключительно удачной основой для парфюмерии, обеспечивая фиксацию (стойкость) запахов дорогих духов. Его настоящее предназначение стало понятно совсем недавно.
У наземных четвероногих (включая человека) при нырянии могут возникать сложности из-за наличия воздуха в легких. Ведь прежде чем нырнуть, мы делаем хороший вдох. Наполненные воздухом легкие придают телу положительную плавучесть, которую приходится преодолевать при погружении. Но стоит только, интенсивно работая конечностями, опуститься поглубже, ситуация меняется. С учетом того, что давление десяти метров водного столба примерно соответствует давлению в одну атмосферу, на этой глубине внешнее давление удваивается, а объем легких уменьшается вдвое. Плавучесть тела становится отрицательной, и его тянет дальше на глубину — а тут как раз надо всплывать, преодолевая этот эффект.
Кашалот систематически ныряет на глубину более километра (зарегистрированный рекорд — 2 200 м, и нет никакой уверенности в том, что это предел его возможностей), чтобы охотиться там на гигантских кальмаров. Естественно, для этого необходимо иметь грудную клетку, выдерживающую более чем двухсоткратное уменьшение объема (при куда меньшем сжатии у человека или ребра начнут ломаться, или легкие начнут отделяться от своих оболочек). Но даже при такой «складной» грудной клетке кашалоту приходилось бы и нырять, и всплывать, преодолевая силы, связанные с неблагоприятной плавучестью. Приходилось бы, если бы он не использовал емкость со спермацетом. Это вещество переходит в жидкое состояние при температуре тела и затвердевает, существенно увеличивая свой объем, при небольшом понижении температуры. Перед тем как нырнуть, кашалот усиливает кровоснабжение емкости со спермацетом. Спермацет тает, голова кита уменьшается в объеме и начинает тянуть его на глубину. Кашалот ныряет. Когда наступает пора всплывать, он охлаждает спермацет (то ли ослабляя кровообращение, то ли набирая в ноздри «забортную» воду). Спермацет расширяется и увеличивает объем головы, преодолевая ужасающее внешнее давление. Головой вперед кашалот взмывает к поверхности, удерживая в челюстях слабеющего кальмара…
Для батискафов и подводных лодок изменение плавучести связано с расходом определенных веществ — сбрасыванием балласта, выпусканием керосина из подвесных баков, расходом сжатого воздуха на продувку емкостей. Аквалангист-ныряльщик надевает на себя избыточно тяжелый грузовой пояс (который при необходимости можно сбросить), и уравновешивает свою плавучесть благодаря компенсатору — емкости, в которую он может добавить воздух из баллонов для дыхания или «стравить» его. Кашалот же, изменяя плавучесть, тратит лишь энергию, полученную благодаря окислению пищи, пойманной на глубине, кислородом воздуха, который он черпает на поверхности. Можно ли не восхититься совершенству этого приспособления?
О жизни организмов на самой большой глубине океана
Вечная тьма. Никаких растений. Давление такое, что толстостенные сосуды, изготовленные из самой прочной стали, сдавливаются в лепешку, — 1100 атмосфер! Есть ли жизнь на таких глубинах? Многие годы будоражила умы ученых эта загадка. Строились разные предположения, высказывались домыслы. Некоторые ученые просто утверждали, что на глубине более семи километров никакой жизни быть не может. Швед X. Петтерсон в 1947 году заявил, что все, находящееся глубже семи километров (то есть площадь около 5 млн. квадратных километров океанского дна), — это совершенно безжизненная пустыня.
Но этому утверждению поверили не все. Человеку надо было точно знать, до каких границ распространяется жизнь, каких глубинных пределов она может достигнуть. И вот в 1949 году в океан впервые выходит наш знаменитый «Витязь». Его специальные тралы, спущенные на стальных тросах, вылавливают рыбку из глубины. 7580 метров!
Через некоторое время в океан для исследования больших глубин выходит знаменитое датское судно «Га- латея». Спущен трал. Глубина — свыше 10 километров. Трал пытается забрать в свой кошелек то, что может находиться там под давлением более 1000 атмосфер. Наконец, лебедки поднимают его на палубу. Биологи бросаются к тому, чем набит кут трала. Килограмм за килограммом, как будто они имеют дело с драгоценными шлихами золота, ученые осторожно промывают ил и камни. И с восторгом обнаруживают 7 морских огурцов, 5 двустворчатых моллюсков, 25 анемонов, многощетинковых червей и одну амфиподу!
«Бога ради, узрейте для меня хотя бы одну рыбу!»,— крикнул напоследок один из биологов Жаку Пиккару, когда тот уже закрывал люк знаменитого батискафа «Триест». «Триест» спускается все ниже и ниже. Вот отметка пять, шесть, семь километров. Сталь выдерживает. Этому способствует толстая гондола-сфера, в которой кроме Ж. Пиккара сидит еще Д. Уолш. Вот и восемь, девять, десять километров! Но дна все еще нет. Вначале акванавты от напряжения вспотели, затем им стало прохладно ведь уже несколько часов они находятся в водной среде с температурой около нуля. Наконец, манометр показывает 1100 атмосфер. На «Триест» давит столб воды весом в 170 тысяч тонн! Ученые прильнули к иллюминаторам, включив дополнительные фары. Их удивлению нет конца. В лучах прожекторов на глубине 10916 метров открылась невероятная картина — плоское, ровное белое дно, устланное кремнистыми скелетами диатомовых водорослей. По дну перед иллюминаторами изящно проскакивает темно-красная креветка. Но подлинным «. чудом определенно была та рыба, та настоящая рыба самого обычного вида, которая в мгновение ока представила доказательство возможности обитания высокоразвитых организмов на дне самых глубоких океанских впадин. Мгновение? Но после стольких лет поисков!» — так писал в 1961 году, год спустя после погружения в Марианскую впадину, Ж. Пиккар.
И советские биологи продолжали делать открытие за открытием. На судне «Витязь» они обследовали глубины океана и его дно, начиная от шельфа до самых больших впадин. Только в одной из экспедиций в результате 27 тралений они заново открыли и описали более 100 видов животных.
Советскими биологами были открыты животные под названием погонофоры (или «бородачи») — целый биологический тип. Погонофоры обитают в хитиновых трубочках, прикрепленных ко дну. Пищу они вылавливают из воды маленькими щупальцами. Через щупальца же всасывают пищу в свое тело, так как у них. нет желудка. Погонофоры — очень древние жители Земли. Они появились на нашей планете около 500 млн. лет назад и прекрасно чувствуют себя и в наш атомный век. Изучение таких древних обитателей помогает ученым правильнее понять, как развивался животный мир на нашей планете. Открытие погонофор было настолько важным, что за труд по их описанию советский ученый А. В. Иванов в 1961 году был удостоен Ленинской премии.
Ученые выяснили еще один немаловажный факт. На больших глубинах хотя и возможна жизнь, но плотность обитания живых организмов очень небольшая — чем глубже впадина, тем их меньше. На глубинах более трех километров обитает всего лишь менее одного процента животных.
Абиссальные рыбы выдерживают давление в 1100 атмосфер. Как же это объяснить? Обратили внимание на то, что, извлеченные с глубин 10 километров, на палубе они не раздувались, как те рыбы, которых поднимали с глубин один-два километра. А дело оказалось в том, что рыбы, обитающие в верхних слоях воды, имеют плавательный пузырь, который после извлечения ее из воды раздувается, ведь давление газа в пузыре, когда рыба находилась глубоко в толще вод, было в десятки раз больше атмосферного давления. А у абиссальных рыб пузыря нет! Все их тело содержит жидкость, давление которой точно такое же, как и давление воды, в которой рыбы обитают. Мы знаем, что жидкость практически не сжимается и не расширяется. Это и объяснило, почему рыбы могут выдерживать такое колоссальное давление.
Но каждый живой организм должен питаться, в том числе и тот, который обитает в самых глубоких впадинах. Вопрос о питании живых организмов океана ученых интересовал постоянно. И вот они выяснили, что пища на глубину 10 — 11 километров передается сверху, из того слоя, где происходит удивительнейший из процессов — процесс фотосинтеза, то есть образования органического вещества из минеральных солей, содержащихся в воде, при помощи солнечной энергии.