Как тюлени под водой дышать

Млекопитающие, живущие в воде, не обладают более существенным отношением объёма лёгких к размеру тела, чем млекопитающие, которые живут на суше, однако они могут погружаться под воду на длительное время, задерживая дыхание, поскольку выработали альтернативные механизмы увеличения количества вдыхаемого кислорода. В данной статье рассматриваются некоторые из этих механизмов.

В отличие от своих сухопутных собратьев, способных совершать погружения, тюлени, морские львы и киты погружаются на задержке дыхания из практических соображений — например, для поиска пищи или спасения от хищников. Как и в случае с животными, обитающими на суше, эти погружения сопровождаются физиологическими изменениями, требующими определённой адаптации.

Масштабы такой адаптации выражены сильнее, чем даже те, которые наблюдаются у самых выдающихся фридайверов из числа людей. Эта способность к повышенной адаптации даёт частичное объяснение глубины и продолжительности погружений, выполняемых такими млекопитающими. Например, существующий рекорд в дисциплине «без ограничений», составляющий 163 метра, — это относительно небольшая глубина по сравнению с глубинами, на которые опускаются бутылконосы. Использование средств, фиксирующих время и глубину погружения, а также акустических приёмопередатчиков позволило отследить погружение этих китов на глубину до 1450 метров. Для сравнения, северный морской слон погружается на глубину до 1500 метров, хотя следует отметить, что погружение на такие глубины не является нормой для этих животных.

Возможно, самым эффективным физиологическим «снаряжением» обладает новозеландский морской лев — млекопитающее, способное совершать более длительные погружения, чем любой другой вид, обычно опускаясь до 120-метровой глубины (наибольшая зафиксированная глубина составила 474 метра) и легко оставаясь на такой глубине в течение пяти минут. Хотя такая глубина и продолжительность погружений доступна и другим морским млекопитающим, этих животных выделяет среди других манера их погружений, поскольку они ныряют под воду практически беспрерывно. Для фридайверов интерес представляет тот факт, что почти половина погружений, выполняемых этим морским львом, превышает его теоретический аэробный порог ныряния (АПН, см. ниже).

Вычисление аэробного порога ныряния

В теории, если фридайвер начинает погружение с полным объёмом лёгких (ПОЛ), максимальную теоретическую глубину можно рассчитать по отношению ПОЛ к остаточному объёму лёгких (ООЛ). На основе этих расчётов можно предсказать максимальную «теоретическую глубину» или «точку прекращения погружения», которой может достичь Пипин Феррерас (Pipin Ferreras) — дайвер, ПОЛ которого равен 9,6 л, а ООЛ составляет 2,2 л. Применив закон Бойля-Мариотта, можно установить, что безопасный порог компрессии для Феррераса составляет около 4,4 атмосферы (при абсолютном давлении), что соответствует глубине в 34 метра. К счастью, в спортивном фридайвинге спортсмены обращают мало внимания на законы физики, поэтому Феррерас совершил погружение на 128 метров глубже его теоретической максимальной глубины. Очевидно, что существуют механизмы погружений, позволяющие фридайверам и тюленям обходить эти законы.

Для фридайверов, желающих вычислить свой теоретический порог глубины, есть следующая формула (только для практического применения).

Оценка остаточного объёма (ООЛ) лёгких в зависимости от возраста, роста и массы тела.

Во фридайвинге ООЛ влияет на глубину, которой может достичь фридайвер, не испытывая проблем, связанных со «сдавливанием груди». Обычно отношение ПОЛ к ООЛ на поверхности определяет максимальную глубину погружения, при которой спортсмен не будет испытывать сдавливание грудной клетки. Одни из способов установить свой ООЛ — это выполнить следующие вычисления.

Уравнения для вычисления ООЛ

Переменные: возраст (лет), рост (см), вес (кг).
Нормальный вес – мужчины:
ООЛ (л) = (0,022 x Возраст) + (0,0198 x Рост) – (0,015 x Вес) – 1,54
Нормальный вес – женщины:
ООЛ (л) = (0,007 x Возраст) + (0,0268 x Рост) – 3,42

Механизмы, при помощи которых «животные-дайверы» разрешают противоречие между потребностью в энергии во время погружения и сохранением ограниченных запасов кислорода, сходны с теми, с которыми сталкиваются фридайверы, живущие на суше, и до конца не изучены. Однако в распоряжении наших морских собратьев совершенно точно есть некоторые физиологические преимущества.

Например, максимальное время погружения тюленя не определяется только его способностью сохранять кислород, поскольку тюлени могут действовать в анаэробном режиме. Однако аэробный обмен веществ предпочтительнее анаэробного, поскольку он значительно эффективнее. Снижение интенсивности обмена веществ позволяет тюленям увеличить количество времени, в течение которого они поддерживают аэробное дыхание во время погружения, поскольку это позволяет экономнее расходовать запасы кислорода. Кроме того, посредством выборочной перфузии тканей тюлени способны увеличивать продолжительность сохранения запасов кислорода. Момент, в который тюленю или другому животному, совершающему погружения, нужно вынырнуть и вдохнуть кислород или переключиться на анаэробное дыхание, называется АПН. Уровень солей молочной кислоты в крови начинает повышаться сверх значений состояния покоя после достижения АПН и приводит к возникновению чувства жжения в мышцах.

Так как же тюлени действуют в анаэробном режиме? В отличие от тканей человека, ткани тюленей значительно легче переносят три фактора асфиксии: недостаток кислорода, высокий уровень двуокиси углерода и низкий уровень pH. Недостаток кислорода вызывается его потреблением при аэробном дыхании, двуокись углерода — это отходы жизнедеятельности мышц, а низкий уровень pH — это результат выделения молочной кислоты при анаэробном дыхании. Способность легко переносить эти три фактора позволяет тюленю действовать в анаэробном режиме после исчерпания запасов кислорода.

Длительные погружения обычно вынуждают тюленей превышать АПН и прибегать к анаэробному дыханию. Экспериментально это было установлено путём забора крови: увеличение уровня солей молочной кислоты в крови свидетельствовало о том, что тюлень использовал анаэробное дыхание. Тюлени используют разные способы ныряния, чтобы избавиться от остатков молочной кислоты, которая скапливается при анаэробном погружении. Например, время восстановления после погружения у тюленей Уэддела различается в зависимости от продолжительности времени, проведённого под водой. После нескольких длительных (около 20 минут каждое) погружений эти тюлени выполняют серию коротких аэробных ныряний, что позволяет постепенно удалить из крови накопившиеся соли молочной кислоты.

Ещё одна стратегия, применяемая тюленями, морскими львами и китами при запасании кислорода, — это достижение энергетической эффективности. Как можно ожидать, глубина погружения и, соответственно, пройденное расстояние влияют на количество времени, остающееся для плавного скольжения, которое является основным способом сохранения кислорода, применяемым морскими млекопитающими. Количество времени, затраченного на плавное скольжение во время погружения, значительно и нелинейно увеличивается с глубиной погружения и выражается в существенной экономии энергии с точки зрения использования кислорода.

Ещё один механизм, используемый тюленями, — это способ хранения ими кислорода. Тюлени не используют для хранения кислорода свои лёгкие. Как видно на графике, во время погружения в лёгких тюленя находится значительно меньше кислорода, чем в лёгких человека. При погружении тюлень не может хранить кислород в лёгких из-за серьёзного риска возникновения декомпрессионной болезни при всплытии.

График: Расположение запасов кислорода

Фиолетовый — тюлень, сиреневый — человек.

Так как же тюлень запасает кислород? Ответ находится в крови и тканях.

Кровь тюленя обладает лучшей способностью переносить кислород, чем кровь человека, отчасти благодаря большему объёму крови у тюленей, а частично из-за более высокого гематокрита (концентрации гемоглобина). Поскольку в теле тюленя больше крови, у него больше и красных кровяных телец (эритроцитов). Большее количество эритроцитов приводит к более высокому содержанию гемоглобина — кровяного пигмента, который содержится в эритроцитах и переносит кислород. Однако эритроциты тюленя отличаются меньшим содержанием воды, чем эритроциты сухопутных млекопитающих, поэтому даже на клеточном уровне это животное создано для запасания большего количества кислорода — этим объясняется его более высокий гематокрит. Конечно, содержание эритроцитов в крови ограничено, поскольку, как мы знаем, если их слишком много, то кровь становится слишком густой для нормальной работы сердца. Однако морские млекопитающие обходят это ограничение, прибегая к дополнительным методам хранения кислорода для последующего использования.

Один из таких способов — это использование миоглобина, то есть соединения, которое содержится в мышцах и связывает кислород. На самом деле миоглобин имеет столь высокую концентрацию в мышцах тюленя, что под микроскопом он почти чёрного цвета! У людей также есть миоглобин, но, к сожалению для фридайверов, его способность хранить кислород намного меньше, чем у тюленей.

Содержание миоглобина у морских млекопитающих

Вид / Миоглобин (г/100 г)
Северный морской котик — 3,5
Кашалот — 5,0
Тюлень Уэддела — 5,4
Полосатый тюлень — 8,1

Помимо всего прочего, морские млекопитающие способны хранить кислород в тех тканях тела, в которых не может человек, что даёт им возможность хранить больше кислорода. Особенно это касается селезёнки. Механизм хранения кислорода в селезёнке схож с тем, который использует человек, однако кислородная вместимость селезёнки морских млекопитающих значительно больше, чем у человека.

Источник

Интересные факты о тюленях

Тюлени – полуводные хищные млекопитающие. Они удивительно ловкие пловцы, но большую часть своих дней проводят, бездельничая и загорая на лежбище. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этих очаровательных морских животных.

Тюлени появились 30 миллионов лет назад

Тюлени относятся к отряду ластоногих морских млекопитающих. В мире насчитывается 33 вида ластоногих, широко распространенных по всему миру, и все они, как полагают ученые, произошли от некогда наземных существ, похожих на выдру.

Летописи окаменелостей указывают на то, что предки современных тюленей впервые вошли в океан на западном побережье около 28-30 миллионов лет назад, в период позднего олигоцена. Самые ранние тюлени были водными плотоядными животными с хорошо развитыми лопастными конечностями и ступнями и, вероятно, прошли фазу обитания в пресной воде во время своего перехода от наземной жизни к океанскому обитанию. Байкальская нерва, каспийский и кольчатый тюлень – единственные в мире пресноводные ластоногие.

Фото: Antoine Pouligny

В 2007 году обнаружили почти полный скелет нового полуводного хищника на месте озера раннего миоцена в Нунавуте, который определен как эволюционная связь между наземными млекопитающими и тюленями.

Самки тюленей обычно меньше самцов

В зависимости от вида размер особи варьируется от 1 до 6,5 метров в длину и от 30 до 4 000 кг в весе. Самым маленьким видом тюленя является галапагосский морской котик (до 1,5 метров в длину и до 65 кг в весе). Самым крупным является южный морской слон, который весит более 4 000 кг и достигает 6,5 метров в длину!

Почти все тюлени, за исключением почти безволосого моржа, покрыты густым мехом. Окраска самцов обычно темнее самок. Мех варьируется от черного и темно-коричневого до серого и рыжего, с пятнами и без отметин. При этом у большинства видов спина темнее живота. Кроме того, у настоящих тюленей отсутствует уплотненный подшерсток, который присутсвует у ушастых тюленей.

Они предпочитают холодные широты

Тюлени в основном встречаются в морских водах арктических районах, вблизи Северного Ледовитого океана. Они также заселяют умеренные и субантарктические воды Тихого и Атлантического океанов.

Фото: Yuriy Rzhemovskiy

Тюлени предпочитают жить в воде. Лежбища обустраивают на уединенных скалистых побережьях с небольшими островами и рифами. Пляжи, на которых они обитают, могут быть каменистыми, песчаными или ледяными. Тюлени мигрируют далеко от своих лежбищ, когда они не размножаются и не линяют.

У тюленей есть много приспособлений к водному образу жизни

Их конечности короткие, с удлиненными пальцами, покрытыми хрящом и соединительной тканью, образующими плавники. У тюленей сильные, массивные плечи, а их обтекаемые веретенообразные формы сужаются к хвосту. У тюленей относительно короткие передние ласты с пятью выступающими когтями. Они могут скручивать ласты для разрыва пищи или хватания за землю.

На суше тюлени двигаются гусеницей, попеременно перенося вес с груди на область таза, или просто катятся к месту назначения. Они кажутся довольно неуклюжими и медленными, но на небольшом расстоянии могут догнать бегущего человека.

В воде они компенсируют неуклюжесть на суше. Гибкое тело позволяет им легко поворачиваться при преследовании добычи. Передние ласты тюленей действуют как рули управления, но когда они не используются, они прижаты близко к телу. Животные могут развивать скорость 23-37 км/ч, но обычно их крейсерская скорость составляет 10 км/ч или меньше.

Некоторые тюлени могут нырять на глубину до 900 м и задерживать дыхание под водой до 2 часов!

Тюлени умеют регулировать температуру тела

Слой ворвани или жира изолирует тело тюленя, а система циркуляции крови отводит кровоток к конечностям и внешней поверхности тела. В результате тюлени могут выходить на лед, не растапливая его. Их густой мех дает им защиту от холода, а также удерживает воду на коже, которая нагревается до температуры тела.

Относительно небольшая площадь поверхности тела к их общему объему снижает количество тепла, теряемого в окружающей среде. Тюлени регулируют температуру с помощью поведенческих средств, таких как изменение положения на солнце, перемещение во влажные места или неглубокие бассейны и изменение уровня активности.

Фото: Phil Botha

У тюленей «кровь курильщика»

Тюлени, так и заядлые курильщики, имеют высокий уровень окиси углерода в крови. Хотя люди получают его при сжигании табака, исследователи считают, что уровень окиси углерода в крови тюленей связан с их глубокими погружениями. Одно исследование показало, что кровь морских слонов на 10% состоит из окиси углерода, которую исследователи приписывают животным, задерживающим дыхание на протяжении примерно 75% их жизни. Выдыхание – единственный способ избавиться от углекислого газа в организме животного.

Температура мозга тюленей снижается при нырянии

Исследования хохлачей продемонстрировали снижение температуры мозга на 3 °C в течение пятнадцатиминутного погружения. Этот процесс направлен на сокращение потребления кислорода мозгом. Морские котики направляли холодную кровь в мозг через большие поверхностные вены от передних ласт, что в конечном итоге сокращало потребность мозга в кислороде примерно на 15-20%. Это существенно расширяет возможности тюленя нырять и обеспечивает дополнительную защиту от гипоксических травм.

Для общения тюлени используют голос, запах и тактильность

У них есть множество вокализаций, многие из которых используются в брачный период. Самцы шипением и рычанием демонстрируют доминирование и агрессию. Они также практикуют не голосовое общение, такое как укус в шею и безмолвные угрозы с открытым ртом. Шлепки и оставление царапин ластами – частые признаки раздражения самок.

Самцы производят сильные запахи в период размножения, и матери тоже идентифицируют своих детенышей по запаху. Для них характерно и тактильное общение с помощью усиков. Обонятельные, визуальные и акустические сигналы тоже являются частью системы распознавания матери и детеныша. Молодняк издает характерные крики, которые можно услышать на расстоянии до километра. Узнавание матерей и детенышей возможно даже после 4-летней разлуки.

Зрение и слух помогают тюленям в охоте

Их зрение приспособлено к продолжительному нахождению под водой. Глаз тюленя приспособлен для видения при пониженном уровне освещенности благодаря подкладке (похожей на кошачий глаз), которая отражает и усиливает слабый свет на глубоководье. Их глаза с круглыми линзами (как у рыб) и большой радужной оболочкой полностью открываются под водой. На поверхности их зрачки сужаются радужной оболочкой до крошечных отверстий, защищающих сетчатку от яркого света.

Тюлени прекрасно слышат под водой. Они способны воспринимать звук в широком диапазоне частот, намного превосходящем диапазон человеческого слуха. Отсутствие ушных вкладышей у большинства тюленей и обильное восковое покрытие в слуховом проходе снижает их способность воспринимать звуки в воздухе. Их уши клапанные и закрываются в воде. Их ноздри также клапанные и в состоянии покоя закрыты.

Вибриссы, или усы, расположенные на голове, чрезвычайно чувствительны и помогают тюленям охотиться в полной темноте, позволяя им чувствовать вибрации, создаваемые их движущейся добычей.

Они съедают много морепродуктов

Тюлени регулярно ныряют в поисках еды на глубину 70-300 метров. Они в основном потребляют рыбу, кальмаров, креветок, а также других ракообразных, моллюсков и зоопланктон. Большинство из них питаются и морскими птицами (если они успевают их поймать). Крупные виды тюленей могут съесть 5-6 кг пищи в день. Поскольку в последние десятилетия некоторые популяции увеличились, тюлени стали питаться и коммерчески ценными видами рыб, такими как лосось и семга.

В зоопарках тюленей кормят сельдью, мойвой, кальмарами и скумбрией два раза в день. Они ежедневно получают витаминные добавки, чтобы восполнить потерю питательных веществ в процессе замораживания рыбы.

Тюлени – полигамны

В брачный период самцы выставляются напоказ, кричат и дерутся, часто пытаясь перебить друг друга во время совокупления. Большие размеры и массивные шеи обеспечивают им некоторую защиту от толчков и укусов. На начальных этапах размножения самцы контролируют большие площади с большим количеством самок. Как только начинается спаривание, самцы отвлекаются, и молодые особи меньшего размера могут обосноваться на периферии группы. В основном они спариваются на суше, хотя иногда могут спариваться и в воде.

Исследование, проведенное на Фолклендских островах, доказало, что альфа-самцы морского слона являются настоящими донжуанами. В одной колонии более 92% детенышей, рожденных в одно времени, были потомками одного альфа-самца, а до 72% других самцов в колонии никогда не спаривались.

Для самок характерна отсрочка имплантации

Период беременности большинства видов тюленей длится 9-10 месяцев с трехмесячной отсрочкой имплантации. Оплодотворенная яйцеклетка превращается в бластоцисту, после чего остается в состоянии покоя в течение двух-четырех месяцев, прежде чем прикрепляется к стенке матки. Такая отложенная имплантация гарантирует, что роды будут происходить в нужное время каждый год.

Примерно за месяц до появления детенышей большое количество самок и самцов собираются вдали от лежбища. Рождение первых детенышей сигнализирует самцам о выходе на берег. Самки рожают по одному детенышу за раз; близнецы бывают крайне редко. При рождении детеныши имеют длину около 90-105 см от носа до хвоста и весят около 15 кг. Шерсть у них линяет в возрасте 2-3 недель.

Фото: Ruvim Miksanskiy

Лактация длится примерно три недели, в течение которых мать проводит большую часть времени в непосредственной близости от своего детеныша. Молодняк кормится примерно пять минут каждые пять часов и быстро набирают вес на молоке с высоким содержанием жира. Детеныши набирают около 2,3 кг в день, но существенно не прибавляют в длине.

Как только молодняк отлучается от груди, самка вступает в фазу течки и привлекает внимание самца. На этом этапе матери полностью бросают детенышей, и они голодают от одной до четырех недель, прежде чем начинают самостоятельно кормиться в море. Ни самки, ни самцы не едят в течение сезона размножения, и оба испытывают значительную потерю веса и физического состояния.

После сезона размножения тюлени возвращаются в море и начинают свои миграции. Молодые особи могут преодолевать расстояние до 48 км в день. Взрослые, вероятно, вернутся на место своего рождения после достижения половой зрелости, в возрасте 3-5 лет у самок и 6 лет у самцов.

Изменение климата – их новейшая угроза

На тюленей охотились на протяжении всей истории из-за их жира и меха. За последнее столетие вымерло несколько видов, в том числе карибский тюлень-монах и японский морской лев, что считается предвестником антропогенного вымирания в системах коралловых рифов.

Хотя подавляющее большинство видов сейчас не находятся под угрозой исчезновения (галапагосский морской котик является одним из исключений), тюлени по-прежнему остаются одними из самых охраняемых млекопитающих в большинстве частей мира. Но совсем недавно тюлени столкнулись с новой угрозой в виде утраты среды обитания в результате изменения климата. Обитающие в Арктике бородатые и кольчатые нерпы занесены в список находящихся под угрозой исчезновения из-за таяния морского льда.

Источник