Физика в мире животных: наутилус и его «осмотический насос»

Источник: youtube ^[1]

Наутилус (лат. Nautilus) — род головоногих моллюсков, которых относят к «живым ископаемым». Самый распространенный вид — Nautilus pompilius. Наутилусы относятся к единственному современному роду подкласса наутилоидей. Первые представители наутилоидей появились в кембрии, а его развитие пришлось на палеозой. Наутилиды почти вымерли на границе триаса и юры, но все же дожили до наших дней, в отличие от своих родственников аммонитов. Некоторые виды древних наутилусов достигали размера в 3,5 м. Представители самого крупного вида современных наутилусов достигают максимального размера в 25 см.

Современные наутилусы встречаются в Тихом и Индийском океанах. В некоторых регионах они многочисленны, но ареал их распространения не слишком широк. Живут наутилусы на глубинах 100-600 метров. Эти моллюски постоянно перемещаются в толще воды, как вертикально, так и горизонтально, причем для передвижения по вертикали наутилусы используют осмос — меняя концентрацию солей в полостях своей раковины

По горизонтали наутилусы движутся подобно головоногим моллюскам — при помощи выброса струи воды из воронки. В воронку превратилась задняя ^[2] часть ноги, которая есть у всех моллюсков. Воронка представляет собой коническую трубку, которая ведет в мантийную полость. Она служит как «двигателем», так и рулем. Скорость перемещения по горизонтали наутилусы регулируют при помощи частоты выброса воды из воронки и изменением ее диаметра. Плавают они раковиной вперед, но если нужно схватить добычу, то поворачиваются к жертве «лицом».

Гораздо более интересен механизм перемещения наутилусов по вертикали. Моллюски без труда могут регулировать свою плавучесть, становясь легче или тяжелее воды, используя силу осмотического давления ^[3]. Раковина моллюска, кроме жилого отсека и нескольких старых камер, заполнена жидкостью, состав которой отличается от морской воды. В частности, концентрация солей в этой жидкости ниже, чем в морской воды. Несколько камер заполнены биологическим газом, который вырабатывается наутилусом в процессе жизнедеятельности.

Для того, чтобы лучше понимать механизм передвижения наутилуса, стоит рассмотреть строение его раковины. У всех видов наутилусов раковина спиральная, сильно закрученная. Тело моллюска размещается всегда в последней, самой большой камере. Остальные камеры работают как гидростатическая система. В перегородках раковины есть отверстия, через них проходит тонкая трубка, которую называют сифоном. Эта трубка соединяется с задней частью тела наутилуса.

Раковина наутилуса в разрезе. Сифон не виден, поскольку он состоит из мягких тканей, которых нет в раковине на фото (Источник: Wikipedia)

Если наутилусу необходимо всплыть, он становится легче воды благодаря откачиванию из этой жидкости по сифону одновалентных ионов. Это, в основном, Na+ и Сl-. Регулирование концентрации одновалентных ионов производится при помощи специального фермента — Na-K-АТФазы ^[2]. Гормон производится и накапливается в эпителиальной ткани сифона. Сначала ионы откачиваются из жидкости камеры, после чего поступают в сифон, и затем — в кровь. Возникает осмотическое давление, вода с низкой концентрацией солей поступает в сифон, а затем, через почки — в окружающую среду. В ряде камер раковины моллюска образуется разрежение, они заполняются газом, раковина становится легче, и наутилус всплывает.

На этой фотографии сифон виден очень хорошо (источник: discoveringfossils.co.uk)

Если наутилусу нужно погрузиться, ионы из крови под действием Na-K-АТФазы поступают в жидкость раковины. Осмотическое давление приводит к тому, что раковина набирает воду, камеры раковины постепенно заполняются, и животное вместе с раковиной становится тяжелее воды, что позволяет наутилусу погрузиться. Максимальная глубина погружения — около 700 метров, что соответствует 70 атмосферам. Именно такое давление способна выдержать раковина наутилуса. Погрузившись глубже, животное просто погибнет.

Наутилус может отрегулировать свою плавучесть таким образом, чтобы неподвижно зависнуть в толще морской воды. Центр плавучести у наутилуса не совпадает с центром тяжести, находясь на несколько сантиметров выше. Это позволяет обеспечить вертикальную устойчивость моллюска. При зависании в толще воды можно видеть, как наутилус качается с определенной амплитудой. Это вызвано тем, что моллюск для дыхания забирает воду в раковину. При «выдохе» струя воды дает толчок назад, раковина отклоняется от первоначального положения. При «вдохе» моллюск возвращается в исходную позицию.

У наутилусов есть еще одна интересная особенность — их глаза лишены хрусталиков и роговицы. Зрачок в их глазу — обычное отверстие, через которое свет попадает сразу на сетчатку. Никакой оболочки у этого глаза нет, зрачок и полость глаза заполнены водой. Японские исследователи изучили геном наутилуса ^[4], и обнаружили, что у этого моллюска нет гена Six3/6. Это древнейший ген, который есть практически у всех животных, от моллюсков до человека. Он отвечает за формирование хрусталика и роговицы. Возможно, предки наутилуса по какой-либо причине лишились этого гена в процессе эволюции. Также есть предположение, что глаз наутилуса является переходной формой между примитивным светочувствительного глазком и сложным глазом с хрусталиком и роговицей.

Автор: marks

Источник ^[5]