На суше центральное место в экосистемах занимают наземные млекопитающие. В океане эту роль играют китообразные (отряд Сеtacea); их насчитывается около 70 видов. Своим расцветом в конце мезозойской эры (около 65 млн. лет назад) наземные млекопитающие во многом обязаны активному образу жизни, в том числе интенсивности всех жизненных процессов, что обусловлено высоким развитием центральной нервной системы и Тепло кровностью. Впоследствии некоторые из наземных млекопитающих заселили экологическую нишу в море, при этом у них выработались новые приспособительные свойства, также направленные на активизацию образа жизни.
Каким образом представителям отряда китообразных удалось преодолеть многочисленные трудности, связанные с жизнью в океане? Рассмотрим, к примеру, их крайне напряженный жизненный цикл. Даже в момент рождения, покидая родовые пути матери, детеныш должен без посторонней помощи добраться до поверхности воды, чтобы сделать первый вдох. Чтобы питаться молоком матери, ему приходится задерживать дыхание и погружаться под воду. А когда детеныш уже способен питаться самостоятельно, ему надо обучиться совершенно новому типу поведения — нырять в поисках добычи.
Наконец, когда животное достигает зрелости, оно осваивает особую сложную систему движений и только после этого становится готовым к воспроизведению себе подобных, которые начинают новый жизненный цикл. Удивляет также разнообразие представителей отряда Cetacea как в отношении размеров тела, так и по их географическому распространению. Китов и дельфинов довольно много во всех океанах, от тропиков до границ полярных льдов и в северном и в южном полушариях.
Многие виды мигрируют из холодных морей в теплые и обратно в зависимости от времени года. Крупнейшие экземпляры взрослых синих китов в 20 тыс. раз больше самых мелких новорожденных дельфинов, тем не менее и крупные и мелкие виды встречаются как в тропиках, так и в приполярных морях. Группа зубатых китов объединяет животных самых разных размеров — от небольшой обыкновенной морской свиньи до гигантского кашалота. Почему из всех китообразных кашалот ныряет глубже других и дольше всех остается под водой? Как ему удается избегать кессонной болезни и других неприятных физиологических явлений, с которыми сталкиваются люди, ныряя вовсе не так глубоко? Как они ухитряются сохранять тепло в холодной воде? Подобные вопросы и привели нас к первой серии экспериментов — изучению физиологии теплообмена у дельфинов.
Наблюдая в Маринленде (шт. Флорида) за содержащимися в неволе дельфинами, мы установили, что они способны поддерживать постоянную внутреннюю температуру тела, близкую к температуре тела человека, и столь же тонко ее регулировать. Это замечательное свойство, если учесть, что теплоемкость воды велика и в воде предметы охлаждаются значительно быстрее, чем в воздухе. Поначалу мы полагали что в условиях температурного стресса для животного вполне естественно не иметь постоянной температуры тела, как это свойственно тем наземным млекопитающим, которые впадают зимой в спячку. Но у китообразных это не так, и пришлось задуматься над сложностью терморегуляции у мелких китообразных, обитающих в холодных водах высоких широт.
Для упрощения расчетов тепловых потоков тело кита можно рассматривать как равномерно нагретую центральную часть и окружающий ее теплоизолирующий слой. Чтобы обеспечивать необходимую разность температур между окружающей водой и теплой центральной частью тела, идущий через поверхностный жировой слой наружу поток тепла должен быть достаточно мощным. Известно, что эта разность температур равна произведению теплового сопротивления изолирующего слоя на поток тепла, выделяющегося в результате обмена веществ внутри тела. Если животному нужно поддерживать постоянную температуру тела, а термоизоляция недостаточна, ему приходится вырабатывать больше тепла.
Например, если у наземного млекопитающего температура внутри тела упадет лишь на 0,5°, животное начинает дрожать, чтобы усилить обмен веществ и, следовательно, выделение тепла. При более длительном нарушении теплового равновесия происходят изменения в системе термоизоляции. У наземных млекопитающих отрастает зимняя шерсть, а киты в полярных водах приобретают более толстый слой жира. Для активно движущегося животного такой тепловой барьер в общем-то чрезмерен. Например, когда кит быстро плывет, усиливаются обменные процессы и происходит перегрев тела. В таких случаях в организме кита охлаждение достигается интенсивной циркуляцией крови. Усиление кровотока вблизи поверхности тела, в особенности в плавниках, позволяет преодолеть теплоизоляцию жирового слоя, и температура внутри тела снижается до нормальной.
