Биогидравлика в природе - Бориса Фёдоровича Сергеева "Занимательная физиология"  

Благодаря данной статье мы отвлечёмся от механизмов, машин, силовых установок и т.д., и заглянем в летописи самой матери Природы, дабы увидеть как используются все те же законы гидравлики биологическими существами, и удивимся тому, насколько развитыми являются природные технологии.

Источник материала: книга Бориса Фёдоровича Сергеева "Занимательная физиология", издательство "Молодая гвардия", 1977 г. 

Природа всегда стремится навязать любому органу дополнительные, не свойственные ему функции. Как ни специфичны, ни ответственны задачи сердечно-сосудистой системы, даже она не избежала этой участи, уж слишком заманчиво было использовать давление, существующее внутри кровеносной системы.

Известно, что гипертония (значительное повышение кровяного давления) очень опасна для организма, так как может вызвать разрушение системы, разрыв кровеносных сосудов. Однако именно это явление природа сумела сделать полезным. Жабовидная ящерица, обитающая в мексиканских пустынях, использует для своей личной обороны местную гипертонию в сосудах головы.

[caption id="attachment_5253" align="aligncenter" width="700"] Жабовидная ящерица, обитающая в мексиканских пустынях, использует для своей обороны местную гипертонию в сосудах головы[/caption]

В общем-то это не такое уж редкое явление в природе. Кровь, заполняя под большим, чем обычно, давлением гребни, шипы и иные выросты на голове и других частях тела, заставляет их увеличиваться в размерах, выпрямляться, менять окраску и тем самым придает животному страшный вид.

Жабовидные ящерицы этим не ограничились. Природа снабдила их удивительным приспособлением. В минуту опасности специальный мускул пережимает один из крупных кровеносных сосудов, что приводит к резкому повышению давления в кровеносных сосудах головы. При этом мелкие сосудики в мигательной перепонке глаз не выдерживают и лопаются, и кровь выбрызгивается прямо из глаз навстречу врагу. Неожиданный душ нередко обращает нападающего в бегство. Оружие действует в радиусе примерно полутора метров.

[caption id="attachment_5252" align="aligncenter" width="600"] Эскиз акта самообороны жабовидной ящерицы[/caption]

Другое назначение запирательного мускула - способствовать линьке. Рептилии растут почти всю жизнь. Жабовидные ящерицы каждый год меняют свою кожу. Освободиться от старой одежды бывает нелегко. Вот тут-то на помощь и приходит запирательный мускул. Когда давление в сосудах головы повысится, все кровеносные сосуды, большие и маленькие, переполняются кровью и голова раздувается до тех пор, пока старая кожа на ней не лопнет. Дальнейшая процедура несложна. Ящерица выползает из своей шкуры через образовавшееся отверстие, как из ворота комбинезона.

[caption id="attachment_5255" align="aligncenter" width="700"] Старая кожа лопается под воздействием давления переполненных кровью сосудов головы[/caption]

Сердечно-сосудистую систему использовать для дополнительных надобностей оказалось не очень удобно. Однако, изобретя насосы и сообщающиеся системы, природа решила заняться гидравликой всерьез. Прежде всего она, видимо, догадалась, что, нагнетая в полости, и межтканевые пространства жидкость, можно значительно повысить тургор тканей, то есть придать им некоторую механическую прочность. Отсюда один шаг до создания гидростатического скелета.

Смешно сказать, но аналогичные конструкции начали использоваться человеком лишь в XX веке и до сих пор еще не получили достаточно широкого распространения. Особенно эффективно использование сжатого воздуха. Представьте себе колонну бульдозеров и вездеходов, пробившуюся сквозь тайгу к месту будущей стройки. В считанные часы расчищена площадка для поселка. Из машин выгружены не слишком громоздкие тюки, подключены насосные устройства, и через каких-нибудь полчаса на месте только что сведенной тайги вырос поселок из двухэтажных парусиновых домов, в которых все балки и другие несущие конструкции надувные. Удобно, быстро, дешево и, как ни странно, надежно. К тому же парусиновые дома могут быть достаточно теплыми, если их стены сделать также надувными из 2-3 слоев прорезиненной парусины.

[caption id="attachment_5257" align="aligncenter" width="700"] Примеры существ с гидростатическим скелетом: слева направо - земляной червь, актиния, медуза[/caption] [caption id="attachment_5259" align="aligncenter" width="700"] Воздушный скелет дома, как аналог гидростатического скелета животных[/caption]

Животным гидростатический скелет тоже очень удобен. Главное его преимущество в том, что он может создаваться только на тот период, когда нужен. А исчезнет в нем потребность, давление в системе можно понизить, и от скелета не останется и следа. Правда, по надежности гидростатический скелет не выдержал конкуренции с костным, и там, где опоры должны быть постоянными, он уступил место более прочным сооружениям. Зато где постоянный скелет не нужен, преимущество осталось за гидравликой. Природа пронесла это изобретение через всю эволюцию животного царства от самых примитивных существ до человека включительно. Примером тому служат пещеристые тела, в которых в качестве рабочей жидкости используется кровь.

Еще интереснее гидродинамические устройства. Они могут быть совсем примитивными или достигать значительной степени сложности. К числу простейших конструкций относятся выводные сифоны двустворчатых моллюсков. Эти животные добывают кислород и пищу, мельчайшие кусочки органического вещества из воды, засасываемой в мантийную полость. Обогащенная углекислым газом и загрязненная экскрементами вода уносится через специальный сифон наружу. Моллюск, безусловно, заинтересован, чтобы отходы выбрасывались подальше и не попадали обратно в мантийную полость. Поэтому выводной сифон бывает достаточно длинным. Однако он не имеет специальной мускулатуры, чтобы вытянуться как можно дальше. Когда раковина закрыта и движение воды в мантийной полости прекращается, сифон спадается. Зато как только ток жидкости возобновляется, сифон под ее воздействием распрямляется и вытягивается.

[caption id="attachment_5263" align="aligncenter" width="700"] Сифоны двустворчатого моллюска[/caption]

Гидродинамические устройства в конечностях пауков выполняют двигательную функцию. Сгибание конечностей у этих восьминогих существ, каждая лапка которых состоит из 6-7 члеников, происходит, как и у всех прочих животных, за счет сокращения специальных мышц, а разгибание - из-за повышения давления внутри одетых в хитиновую броню конечностей.

Большое значение имеют гидродинамические устройства для рытья нор. Земляной червь при попытке вырыть норку во влажной почве (сухую червь увлажняет сам) максимально сокращает кольцевую мускулатуру своего переднего головного конца, превращая его почти что в острое шило, и ищет хоть малейшей щелки между частичками земли. Если это не удается, червь начинает забивать в землю передний конец, ударяя по нему изнутри глоткой, которая приводится в движение с помощью гидродинамического устройства. Повышение давления с 2 до 14 миллиметров водного столба позволяет наносить удар с силой 8,5 грамма. Внедрившись хоть немножко в почву, червь повышает давление в самой передней части тела, расширяя ее, а вместе с ней и проделанное отверстие. Многократно повторяя описанные выше движения, в не очень твердой почве червь прямо на глазах зарывается в землю. Еще энергичнее действуют сипункулиды, развивающие при рытье нор давление до 600 миллиметров водного столба.

Гидростатическое рытье нор земляным червём

К числу самых совершенных гидродинамических устройств относится двигательный аппарат иглокожих, который особенно хорошо развит у морских звезд и ежей, офиур и многих голотурий. Лучи морских звезд пронизаны симметрично расположенными лучевыми каналами, наполненными водянистой жидкостью. Веточки, отходящие от каналов, проникают в каждую из крохотных мускульных ножек, расположенных на нижней, ротовой, стороне лучей. Во время движения жидкость нагнетается в ножки, которые при этом сильно набухают, вытягиваются вперед по направлению движения и с помощью присосок прикрепляются к грунту, после чего их мускулатура сокращается, выталкивая жидкость из каналов и немного подтягивая звезду вперед. Затем ножки отцепляются от субстрата, по которому ползет звезда, в них вновь нагнетается жидкость, и все повторяется сначала. Как видите, сердце не единственный насос, используемый природой для обеспечения важнейших жизненных функций организма многих животных.

Гидродинамическое передвижение морской звезды