Часть 1
Рассекая океан
Модель, которую построили итальянцы, демонстрирует, что частично проблему решает даже сетка без спиральных гребней. Если цилиндр сделать проницаемым, заменив сплошную стенку сетчатой, обтекающий его поток значительно изменится. Из него не пропадут полностью ни амплитудные перепады скорости, ни вертикальные потоки, но в целом поток становится более однородным. Из-за этого разброс частиц сильно уменьшается. Причем особенно этот эффект заметен в быстром потоке с большим числом Рейнольдса.
Когда скорость воды становится выше, чем сантиметр в секунду, то течение непосредственно за губкой становится квазидвумерным — сетка гасит его вертикальные завихрения и отводит гидродинамическое давление.
Течение в тени губки становится ламинарным. В результате время, которое питательные бактерии проводят в области затенения, увеличивается. Площадь этого ламинарного пятна — около двух-трех диаметров губки.
Но вместе с этим возникают другие проблемы. На слишком больших скоростях течение проходит губку насквозь. Это не очень хорошо: во-первых, ослабляется вертикальный транспорт — и во внутренней полости губки, и снаружи от нее. Во-вторых, из-за чересчур быстрого течения времени животным не хватает времени на питание, и сложно наладить нормальную коммуникацию. Питательные вещества уносит слишком далеко и слишком быстро.
Как пить дать
Спиральные гребни в наружном слое скелета решают обе эти проблемы — и соответственно, делают эффективнее и питание, и коммуникацию, и размножение.
Принцип действия гребней отчасти напоминает интерцепторы на трубах котельных — спиральные пластины, напоминающие резьбу. Они не дают течению стать двумерным и минимизируют взаимодействие вихрей в потоке. Оснащенная интерцепторами труба намного меньше раскачивается на ветру.
В отличие от дымовой трубы, губка — труба проницаемая. Поэтому спиральные гребни не только влияют на обтекающий поток, но и меняют течение внутри полости губки. Оно в ней завинчивается, благодаря чему увеличивается время, которое есть у губки на трапезу: вода дольше остается внутри полости.
Спиральные гребни, с одной стороны, снижают силу, с которой поток давит на губку, — за счет того, что подавляют образование вихрей в следе. А с другой — наоборот, увеличивают это давление из-за того, что жидкость дольше находится во внутренней полости губки (и соответственно, замедляет набегающий поток). Тем не менее, губка остается в выигрыше: и сопротивление снижается, и все питательные бактерии не разносит по сторонам, и времени на кормление (или выброс сперматозоидов) остается достаточно.
При этом, если отказаться от пористой или спиральной части скелета, то такого эффекта не добиться: будут возникать и лишние вихри в области за губкой, да и жидкость во внутренней полости особенно задерживаться перестанет.
Губка, которая стоит в авангарде колонии, в итоге остается в некотором проигрыше: она принимает первый удар потока на себя и ослабляет его для всех остальных. Хотя и обедает первой, да и питательных веществ из-за этого получает больше, чем соседи. Но по той же причине ей приходится отсеивать больше частичек глины и детрита.
Как пить
Спустя полгода после публикации итальянских физиков в Nature, зоологи под руководством Салли Лейз (Sally P. Leys) из Университета Альберты прислали на нее отзыв. Они считают, что модель группы Фалькуччи к реальным губкам имеет мало отношения.
У зоологов нет никаких вопросов к физике, но фильтрование воды стеклянными губками, по их мнению, нельзя рассматривать без учета работы жгутиковых клеток, которые засасывают воду в водоносные каналы.
Гидродинамическая схема этого транспорта уже описана. И у большинства губок, которые живут в медленных потоках на мелководье, именно она — основная. Согласованные движения жгутиков и воротничков из микроворсинок на поверхности хоаноцитных камер создают нужное чередование областей повышенного и пониженного давления, которое прокачивает воду по микроканалам в теле животного, — губка пьет тысячей ртов.
Если нарушить работу этих клеток в стеклянных губках с помощью электрических импульсов, то движение воды через ткань прекращается. Проверяли это, правда, на другом виде губок с другой формой скелета. Кроме того, по мнению канадских биологов, лабиринт водоносных каналов — слишком серьезный барьер для водного потока, чтобы скелет начал работать фильтром — вода до него через внешнюю мембрану просто не дойдет.
Кроме того, транспорт воды по водоносным каналам с помощью хоаноцитов создает внутри губки характерное однонаправленное течение. Вода вытягивается из каналов в нижней части губки, просасывается через жгутиковые камеры и уходит вверх, выходя наружу через оскулюм. То, что так можно сделать при помощи пассивной системы, у зоологов тоже вызвало сомнения.
Компромисс стеклянной корзинки
Но претензиям зоологов есть что противопоставить — и сформулировать компромиссный ответ. Глубоководная губка на темном дне океана живет не такой же жизнью, как ее мелководные родственники в куда более мягких условиях. И полностью переносить на корзинку Венеры правила мелкой воды не во всем верно.
Многие работы подтверждают, что при тех числах Рейнольдса, которые характерны для придонных течений, скорости потока хватит, чтобы преодолеть экран мягкой ткани с порами микронного размера. А жидкость из внутренней полости прекрасно выходит через оскулюм и в модели итальянцев.
Построить гидродинамическую модель, которая включает в себя оба механизма — и фильтрацию скелетом, и засасывание воды хоаноцитами — ученым пока не удалось. Не исключено, что венерина корзинка использует оба.
В медленной воде и в союзе с фотосинтезирующими симбионтами, губке важнее активное фильтрование с помощью хоаноцитов. В быстрых течениях, бедных едой, их функция становится вторичной. Сложно пить воду, которая бьет в тебя мощной струей. Поэтому к работе жгутиковые клетки, скорее всего, приступают уже после фазы пассивного фильтрования.
В теплой и медленной воде — индивидуальное клеточное фильтрование оказывается эффективнее. В холодных, темных и быстрых потоках около дна — приходится прибегать к жесткой централизованной системе, которая разделяет и направляет потоки в нужные места.
Александр Дубов
