Чемпион воды и суши

01 марта 1973 года, 00:00

Рисунок П. Павлинова

Может ли рыба соперничать в скорости с самолетом? Да. Не со всяким, конечно, и не всякая, но меч-рыба с каким-нибудь легким спортивным самолетом вроде старичка ПО-2 посоревноваться может. В море же скорость 140—150 километров в час, которую развивают меч-рыба и ее родич рыба-парусник, позволяет им оставить далеко за флагом любые корабли, исключая суда на подводных крыльях, которые не столько плавают, сколько летают. Удивительней всего, однако, то, что по всем известным нам законам меч-рыба просто не в состоянии достичь таких скоростей. А она их достигает.

И ведь рыба, то есть низкоорганизованное существо! И тем не менее побивает лучшего спринтера суши — гепарда, который способен бежать со скоростью максимум 110 километров в час. А гепард все-таки млекопитающее, и тормозит его бег не вода, а воздух.

Первым научный интерес, к необычным способностям меч-рыбы проявил великий русский кораблестроитель и математик А. Н. Крылов. Однажды меч-рыба атаковала деревянное судно (возможно, она приняла его за кита). Ее рострум — меч — пробил насквозь борт, стоящую в трюме дубовую бочку и, застряв, сломался у основания. Ученому-корабелу и до этого случая не раз доводилось видеть в морских музеях уникальные экспонаты: покореженные шпангоуты, пробитые деревянные обшивки бортов. На сей раз он решил все проверить математическими расчетами.

У него получилось, что скорость меч-рыбы в момент атаки была не менее 96 километров в час!

Первое время достоверность этой цифры не бралась под сомнение только благодаря общепризнанному мировому авторитету академика. Много позднее, как видим, выяснилось, что это еще далеко не предельная скорость.

Итак, давайте знакомиться.

Меч-рыба — сильное, неутомимое и, как большинство хищников, очень красивое существо: темно-синяя спина, голубовато-серые бока, серебристое брюхо, удивительно изящная форма тела. Верхняя челюсть рыбы имеет мечевидную форму. Длина (с мечом) — до пяти метров, вес до 400—500 килограммов. Обитает в тропических, субтропических и умеренных морях; у нас встречается в Черном море. Характер агрессивный, нападает на кого угодно. Максимальная мощность...

Вот тут и начинаются головоломки. Расчеты показывают, что для движения в воде, тела идеально обтекаемой формы длиной в пять метров со скоростью 140 километров в час нужна мощность 1500—2000 лошадиных сил. Никакое живое существо таких размеров подобной мощностью обладать не может.

Надо сказать, что ученые не впервые столкнулись с таким парадоксом. Еще в 1936 году были сделаны расчеты, показавшие, что дельфины не могут развить скорость более 20 километров в час. А они, ничего не зная об этих расчетах, спокойно плавали со скоростью 40—50 километров в час.

Английский зоолог Дж. Грей, проводя в бассейне опыты с моделями дельфинов, установил, что либо мышцы дельфина в семь-восемь раз сильнее, чем у любого млекопитающего того же веса, что совершенно невероятно, либо дельфин при движении испытывает во столько же раз меньшее сопротивление, чем его модель. Последнее означало, что дельфин каким-то образом «управляет» средой, меняя ее свойства.

По имени исследователя это явление стали называть «парадоксом Грея». Постепенно ученые выяснили, как именно дельфин «управляет» средой: его мягкая, сложно устроенная кожа волнообразными движениями гасит колебания воды, и вода плавно, без завихрений обтекает тело плывущего дельфина. Этому помогают также водоотталкивающая смазка кожи, особые продольные гребешки — короче, в «конструкции» дельфина заложен целый арсенал технических приемов воздействия на потоки воды.

Однако скорость меч-рыбы в два с половиной раза выше, чем у дельфина, а сопротивление движению, как известно, растет пропорционально квадрату скорости. «Объяснение дельфина» тут не может раскрыть секрета. Кожа у меч-рыбы жесткая, по свидетельству рыбаков, разрубить ее можно только топором. Да и у всех других скоростных рыб кожа тоже отнюдь не мягкая.

Невольно напрашивается аналогия между этими рыбами и... насекомыми. Ведь тела насекомых, их крылья тоже жесткие и негладкие. Они покрыты множеством волосков, бугорков, шипиков.

Тут есть над чем поразмыслить. Поверхность своих скоростных машин, особенно самолетов, мы стремимся сделать поглаже. А природа в своих лучших образцах предлагает прямо противоположное решение. Почему эволюция избрала этот путь?

Скажем сразу: пока неясно, что позволяет меч-рыбе и другим спринтерам моря ставить рекорды, которым могут завидовать и птицы.

Пока есть лишь догадки, и они подводят нас к некоторым очень любопытным соображениям.

Вот тот же меч, длиной чуть ли не в метр, который украшает нашего героя. Такое «техническое решение» нам знакомо... Первые паровозы и автомобили снабжались острыми носами «для рассекания воздуха». Наивность этих решений (по отношению к автомобилям и паровозам) теперь ясна, эволюция техники давно их списала в архив «неудачных проб». А вот биологическая эволюция дала им визу. Но не для того же, чтобы рыба нанизывала на свой меч, как на шпагу, всяких там кальмаров?

Некоторые ученые полагают, что меч нужен для искусственного создания кавитации. Того самого «холодного вскипания» воды с образованием массы паровоздушных пузырьков, которого, между прочим, кораблестроители боятся как огня. Кавитация снижает эффективность работы винтов, теряющих «точку опоры». При исчезновении, «схлопыванни» пузырьков возникают гидродинамические удары, которые разъедают металл лопастей. Короче, кавитация — враг судов, враг скорости. Так неужели эволюция нашла в конструкции меч-рыбы гениальное решение, которое обратило врага в союзника?

Возможно. Не исключено, что при максимальной скорости значительная часть тела рыбы находится в зоне кавитации, то есть не в воде, а в водогазовой смеси. Это должно сильно снижать сопротивление среды. И может быть, жесткая, очень упругая кожа нужна рыбе-меч как раз затем, чтобы противостоять отрицательным следствиям кавитации? Несомненно, какую-то роль в снижении сопротивления играют также спинной и мелкие боковые плавники. Совершенная обтекаемая форма тела. Слизь, покрывающая его. И жабры.

Роль жабр пока мало изучена. Но ясно, что это не только орган дыхания. Кто из нас не видел, как рыбки в аквариуме, резко закрывая жаберные крышки и рот, передвигаются на большие расстояния? Ничего удивительного в этом нет: жаберный механизм «по совместительству» — гидрореактивный двигатель.

Но это в спокойном режиме. При быстром плавании рот и жаберные крышки открыты постоянно. Через жабры идет непрерывный ток воды, чью скорость, сужая или расширяя жаберные щели, рыбы способны регулировать. Рыба может задать потоку скорость большую, чем скорость движения ее самой, и тогда он «смывает» с ее тела слой воды. А от состояния этого пограничного слоя скорость движения зависит весьма значительно. Так что рыбы, очевидно, управляют им. Как и дельфины. Но иначе, чем дельфины, и, похоже, с большим эффектом.

Итак, с помощью разных конструктивных ухищрений (мы перечислили только часть) меч-рыба добивается рекордных скоростей, довольствуясь «скромной» мощностью порядка 20—30 лошадиных сил на 100 килограммов веса.

Правдоподобна ли для живого существа такая энерговооруженность, сравнимая с энерговооруженностью легкого самолета? Точный расчет сделать трудно, приходится идти окольным путем. Максимальная эффективность человеческого организма — в прыжке — примерно 12—15 лошадиных сил. Хищники относительно сильней людей (попробуйте удержать в руках хотя бы крупного кота, если он этого не хочет), да и мускулатура у них работает рациональней. Так что, очевидно, мощность в 20—25 лошадиных сил на 100 килограммов веса возможна. Во всяком случае, на короткое время. Но меч-рыба развивает такую удельную мощность довольно длительное время. И главное, она рыба, а не млекопитающее.

Еще со школьной скамьи мы усвоили, что рыбы — это низкоорганизованные позвоночные, с примитивным двухкамерным сердцем, вялым кровообращением, температурой тела, равной температуре среды. У таких существ должна быть слабая энергетика.

Но, может быть, мы просчитались и мощность меч-рыбы куда ниже предполагаемой? Такое допущение загонит нас, однако, в еще более серьезный тупик, ибо придется допустить, что меч-рыба изменяет среду при движении прямо-таки фантастическими способами.

А почему бы и нет? Разве природа не богаче наших представлений о ней? Но прежде чем пускаться в безудержное фантазирование, где мы пока все равно не найдем никаких точек опоры, рассмотрим, способно или нет «низкоорганизованное» существо достичь нужной нам энерговооруженности.

Такой уровень энергетики возможен только при высокой, хотя бы в период активной деятельности, температуре тела. Но рыбы существа холоднокровные...

Другими они на первый взгляд и не могут быть. Дыхание у рыб обеспечивается большой площадью соприкасающихся с водой дыхательных тканей жабр, что делает их идеальным теплообменником. Чем интенсивней работает организм рыбы, тем больше выделяется тепла. Тем интенсивней ток крови и унос тепла через жабры... Поэтому температура тела рыбы может лишь незначительно превышать температуру воды.

Но рыбаки, промышляющие тунцов, давно заметили, что они градусов на десять теплее, чем окружающая вода. И это в сети! Во время интенсивного движения (а скорость тунцов лишь немногим уступает скорости меч-рыбы) разница температур должна быть существенно выше. Скажем, 12—15 градусов. При температуре океана 25—28 градусов температура тела тунца или меч-рыбы — 40— 41 градус.

Вот так холоднокровные существа! При такой температуре тела все биохимические процессы идут чрезвычайно интенсивно, буквально на грани возможного.

Выяснилось, что организм скоростных рыб снабжен парой сосудистых сплетений, которые расположены по бокам тела, неподалеку от жабр. Крупные сосуды, идущие к жабрам и от жабр, разветвляются на множество мелких, параллельных. Эти сосуды тесно переплетаются, но нигде не соединяются друг с другом. Смысл этой картины ясен каждому инженеру: теплообменник! Кровь, поступающая в жабры, охлаждается противотоком, но, охлаждаясь, она подогревает кровь, идущую из жабр: потери тепла снижаются, и становится возможным повышение температуры тела.

Тут-то и раскрываются все преимущества жабр перед легкими! Чем выше скорость, тем чаще должно быть дыхание. Но легкие — «двухтактный» аппарат: вдох — выдох, выдох — вдох... А жабры — аппарат прямоточный: здесь рост скорости сам увеличивает подачу воды и, следовательно, растворенного в ней кислорода. Поэтому предельные возможности жабр выше возможностей легких.

Так что вопреки прежнему мнению теплокровное животное, дышащее жабрами, в принципе могло бы существовать, и существовать неплохо. Почему же скоростные рыбы не стали истинно теплокровными?

Дело, вероятно, в новом противоречии, которое конструктор-природа разрешить не смогла.

Меч-рыба всю свою жизнь (кроме нереста) проводит в воде с температурой не ниже 22—25 градусов. Эта температура обеспечивает высокую «стартовую» готовность, позволяющую и на «холодных мышцах» уклониться от атаки врага (если у меч-рыбы вообще есть враги). За это, однако, надо расплачиваться постоянной миграцией вслед за устойчиво высокой температурой воды.

Полностью теплокровный вариант позволил бы скоростным рыбам освоить и более холодные пространства. Но тогда значительно возрос бы расход энергии на поддержание высокой температуры тела. Возросла бы, следовательно, потребность в пище. Это последнее обстоятельство, по-видимому, оказалось решающим.

Впрочем, возможно и другое. Скоростная конструкция рыб оказалась настолько удачной, что исчез — временно или навсегда — стимул для усовершенствования. Действительно, врагов у «морского тигра», похоже, не осталось, пищи хватает, зачем ему совершенствоваться?

Итак, меч-рыба и другие спринтеры моря — весьма интересный и заманчивый объект для бионических исследований, ибо они «знают» то, что очень пригодилось бы кораблестроителям. Это, так сказать, в чисто прикладном плане. Но на какие общебиологические и гидродинамические закономерности могут еще вывести те же исследования! Увы, меч-рыба — не дельфин: никакого дружелюбия к человеку она не питает. Изучение их вещь заманчивая, но трудная и долгая. Потому неизвестно, когда мы наконец точно узнаем, какие сокровенные и нужные нам секреты хранит этот чемпион воды и суши.

Л. Брянский, кандидат технических наук

Рубрика: Без рубрики
Просмотров: 9611