Корзинки Венеры живут глубоко на дне океана — там темно, холодно, мало еды и довольно быстрое течение. О том, как именно эти губки приспособились к жизни под напором океана, недавно поспорили канадские зоологи с итальянскими физиками. Рассказываем, в чем ученые не сошлись мнениями — и как вообще выглядит жизнь губки со стеклянным скелетом.
Глубоководная губка корзинка Венеры (Euplectella aspergillum) живет, пока течет вода. Если океан замрет, она начнет чахнуть и вскоре вовсе умрет. Губка извлекает пищу и кислород из набегающего на нее потока. Как она с ним управляется — неясно.
Известно, что у всех губок (не только глубоководной венериной корзинки) есть специальные клетки, которые с помощью жгутиков и воротничков из микроворсинок прокачивают сквозь себя воду и собирают питательные вещества. Но недавно итальянские гидродинамики предположили, что у корзинок Венеры всю работу по преобразованию потока на себя берут их стеклянные скелеты, а не жгутиковые клетки.
С идеей физиков уже успели не согласиться канадские зоологи. Так что вопрос о том, что помогает губке больше, — жесткий системный контроль с помощью твердого скелета или согласованная работа отдельных клеток мягкой ткани — до сих пор дискуссионный. Полноценной гидродинамической модели, которая учитывает оба эффекта, пока нет.
Так или иначе, губка справляется.
Ситуация губки
Большинство губок всю свою жизнь сидят на одном месте. Снимаются с него они очень редко, и их можно понять — за сутки эти создания успевают продвинуться на один-два миллиметра. Известны случаи, когда губки перескакивали с места на место благодаря реагрегации, — для этого им приходилось разбираться на части, релоцироваться и собираться обратно на финише. Иногда к нему, правда, приходило уже несколько губок: какие-то части по пути решили, что настало время начать самостоятельную жизнь. Такой способ передвижения быстрее — за несколько дней мигрирующая губка может сдвинуться на 10–15 миллиметров. Но чтобы так разогнаться, ей приходилось оставлять на старом месте свой старый скелет, и после растить его заново.
Но так почти никто из губок делать не умеет, да и часто так не попрыгаешь. Переезжать подобным образом может только Amphilectus lobata — да и она только в экстренных ситуациях.
А корзинка Венеры перемещаться с места на место не умеет в принципе — ни вместе со скелетом, ни без него.
Эти стеклянные губки живут на дне Тихого и Южного океанов на глубине от сотни метров до пары километров. Здесь темно, холодно, а доступ к еде очень ограничен. Своего рода подводная тундра: суровый климат, небогатая земля, над которой сильно дует (в случае со дном океана — течет). По сравнению с ветрами порывы жидкости не такие сильные — до десятка сантиметров в секунду, но давление создают заметное.
Мелководные губки получают питательные вещества не только из воды, но и от фотосинтезирующих симбионтов, которые селятся на их поверхности. Глубоководные губки этой помощи лишены — света сюда доходит слишком мало, и фотосинтезом тут никто не занимается. Поэтому основным (хотя и не единственным) вариантом для них остается добывать энергию из набегающей воды, повышая эффективность фильтрации. Основная доля рациона глубоководных губок — нефотосинтезирующие бактерии. Их в воде не так много, поэтому важно прокачивать через себя как можно больше воды, не пропуская мимо лишнюю пищу, и при этом не фильтровать лишний раз уже «отработанную» воду.
По мнению итальянских физиков под руководством Джакомо Фалькуччи (Giacomo Falcucci) из Римского университета, главную роль в работе с потоком у венериных корзинок играет их стеклянный скелет. На микроскопическом уровне отличить мягкую ткань от скелета не так просто. В подробностях строение корзинки Венеры описал немецкий зоолог Франц Эйльхард Шульце, который в конце XIX века совершил кругосветное путешествие в составе научной экспедиции «Челленджера». Его рисунки до сих пор можно встретить в научных статьях, посвященных этим губкам.
Минимальные структурные элементы скелета корзинки Венеры — спикулы, шестиконечные микрометровые звездочки из кремнезема, которые изначально по одной кристаллизуются в клетках мягкой ткани, а затем разрастаются до единого скелета, собранного из отдельных нитей в квадратную сетку. Скелет служит опорой для синцития — непрерывной ткани из слившихся друг с другом клеток. Стеклянный остов еще долго стоит на дне океана после смерти губки и разложения ее тканей.
Кроме скелетной сети волокон, синцитий образует две мембраны — наружную и внутреннюю со жгутиковыми камерами. Каждая такая камера — это своеобразный карман, выстланный хоаноцитами — клетками, которые работают водными насосами. Вода к ним поступает по сложному лабиринту водоносных микроканалов, образованном из переплетающихся нитей твердого скелета. В мембранах под эти каналы подстроены отверстия: поры диаметром 20–50 микрометров — для зазоров между отдельными нитями, и большие отверстия диаметром около двух миллиметров — под широкие просветы в квадратной решетке.
Секрет формы
У скелета корзинки Венеры есть два выраженных геометрических мотива. Внутренний слой — однородная пористая сетка с квадратной ячейкой и диагональными связывающими элементами. Это прочная и даже немного гибкая структура. Они неплохо изучены, потому что скелеты хорошо сохраняются и их в распоряжении ученых немало.
Второй мотив — спиральные гребни, которые идут поверх сетки. Они могут быть закручены как по часовой стрелке, так и против, и иногда периодические, а иногда — разупорядоченные.
Скелет помогает губке сохранять механическую устойчивость — не сгибаться и не ломаться под напором воды. Материаловеды проанализировали структуру сеточной части скелета и показали, что из всех возможных квадратных решеток именно такая конфигурация — с двойными диагональными связками — выдерживает самую большую нагрузку, вне зависимости от ее направления. Итальянские гидродинамики предположили, что такая геометрия еще и помогает губке управлять набегающим потоком воды и приспосабливать его под свои нужды — питание, размножение и коммуникацию.
Скорость течения непосредственно у океанского дна может достигать 11 сантиметров в секунду. С учетом вязкости воды и диаметра губки, число Рейнольдса потока, который проходит через губку, доходит до 3 тысяч. Это на три-четыре порядка меньше, чем у разогнавшейся меч-рыбы, примерно на столько же больше, чем у водных микроорганизмов, и близко к плывущей медузе.
Если бы губка была просто бревном без сквозных отверстий, то при такой скорости течения сразу за ней возникала бы турбулентная вихревая дорожка. Это хорошо известный эффект, который можно наблюдать в довольно широком диапазоне чисел Рейнольдса — губка живет именно в нем.
Если бы каждая губка в колонии порождала такой турбулентный вихрь, то максимальная скорость потока бы росла, и в нем возникали бы нерегулярные колебания и вертикальные токи. Из-за этого питательные вещества или, например, сперматозоиды, которые в период размножения выбрасываются наружу через оскулюм — верхнее отверстие в цилиндрическом скелете губки, закрытое скелетной решеткой — разносило бы по непредсказуемым траекториям, и до соседней они бы не доходили.
Сетчатая структура стеклянного скелета венериной корзинки и его форма, при условии достаточной проницаемости внешней мембраны, эту проблему решает. Чтобы понять, как именно работает с потоком воды стеклянный скелет венериной корзинки, итальянские физики построили его компьютерную модель. От мягкой ткани в этой модели из-за ее сложности пришлось отказаться. Впрочем, миллиметровых отверстий в мембране достаточно, чтобы не искажать структуру достаточно быстрого течения, а активный транспорт воды по водоносным каналам с помощью хоаноцитов можно при таком подходе рассматривать как вторичный эффект, который включается уже на микромасштабе, отводя от магистральных потоков маленькие струйки.
Продолжение в профиле
