За миллионы лет эволюции, методично и постепенно совершенствующей организм китообразных, приспосабливающей их к водной среде, в которую они вернулись под давлением тех или иных факторов, киты претерпели огромное количество метаморфоз. Так или иначе, каждый орган был видоизменён, получил дополнительные функции или, напротив, утратил значение. Однако самой главной системой, которая больше всего изменилась у китообразных по сравнению с их наземными предками, является, несомненно, дыхательная система
Вы на канале "Лаборатория Афалина" - первом современном научно-популярном проекте, посвящённом китообразным
Итак, у протоцетидов (древних наземных предков китов), как и у всех других млекопитающих, дыхательная система была схожа с той, какая у нас с вами. То есть лёгкие имели выход через носоглотку к морде, где располагался нос с двумя ноздрями и рот, через который животное также могло дышать и производить звуки, пропуская воздух через голосовые связки. При глотании воздухоносные пути перекрывались, чтобы пища или вода не попадали в лёгкие. Но при этом в процессе глотания животное не могло вдохнуть ни ртом, ни носом, и, подавившись, могло умереть от удушья
Но, оказавшись в водной среде киты быстро поняли, что дышать расположенным спереди носом довольно сложно - это отнимает кучу времени. А ртом нельзя дышать подавно. Тем более, в нём почти всегда будет вода, и всю её не переглотаешь. Нужны были значительные усовершенствования
Усатые и зубатые киты пошли по немного разным направлениям, а, возможно - и вовсе не имели общего предка. Мы не будем делать особенный акцент на усатых китах, поскольку их приспособления менее совершенны: у них всё так же осталось две ноздри, дыхательные пути связаны с горлом, но отделены более надёжной и жёсткой перегородкой, а такие органы, как воздушные мешки - отсутствуют вовсе.
Адаптация дыхательной системы к водной среде у зубатых китов намного интереснее и сложнее
У всех китообразных "нос" - то есть ноздри, совершающие вдох и выдох - значительно сместились. У абсолютного большинства китов они находятся на макушке или затылке - в самых верхних точках головы, которые они выставляют над водой первыми при выныривании. Это позволяет начать дыхательный акт сразу при смене среды, не дожидаясь "удобного момента" и не принимая нужную позу, как, например, у людей, которым нужно неестественно выгнуть голову, чтобы вдохнуть над водой.
Кашалот - в данном случае относительное исключение. Его ноздря расположена на углу его квадратной головы, спереди и сверху - поскольку он выныривает из огромных глубин в два километра почти вертикально
Ещё одно характерное отличие: у всех наземных млекопитающих выдох и вдох равномерно растянуты по времени, и сменяют друг друга практически непрерывно, если не возникает необходимости сознательно задержать дыхание. У китов же такая необходимость носит постоянный характер: они на несколько минут (а кашалот - на полтора часа!) ныряют на глубины в поисках пищи или занимаясь другими "китовыми делами". Следовательно, равномерное дыхание для них закрыто. Эволюция помогла им в этом, и сейчас киты не дышат, а совершают "дыхательные акты". Выставляя дыхало над водой, они делают короткий цикл "выдох-вдох" и снова готовы нырнуть с новым запасом воздуха. Цикл редко занимает больше секунды, а объём воздуха огромен, у крупных китов измеряется сотнями литров. Поэтому мышцы лёгких очень хорошо развиты, и выталкивают воздух под огромным давлением - а потом, соответственно, его вбирают. Мощность выдоха афалины - далеко не самого большого дельфина - составляет около пяти лошадиных сил
Иногда, перед особенно глубокими и долгими погружениями и после них, киты часто совершают сразу много дыхательных актов. К примеру, после охоты кашалот может неподвижно лежать на поверхности, делая в течении десяти минут до тридцати выдохов-вдохов, полностью выводя углекислый газ из организма - а затем, отдохнув, или, правильнее сказать, "переведя дыхание" - снова отправляется в морскую бездну на добрый час
В рамках изучения глубоководных ныряний, обученные афалины тоже обычно проводили гипервентиляцию лёгких, уходя ко дну с запасом свежего воздуха после десятка дыхательных актов. В результате, они могли оставаться под водой 15-20 минут
При том нужно отметить, что если человек за один раз меняет до 15% воздуха в лёгких, то у дельфинов этот коэффициент составит около 80%
Значительную роль, особенно в вопросе глубоководных погружений, играет также гораздо большая, чем у человека, гибкость грудной клетки.
Рёбра зубатых китов расходятся и сходятся в очень большом диапазоне. Следовательно, и их лёгкие, имея статичный объём при нормальном положении рёбер, при необходимости могут расшириться значительно больше. А на глубине, где воздух сжимается под внешним давлением, грудная клетка спадает в объёме без вреда для организма, благодаря своей гибкости и крепости лёгких. Это очень хорошо видно на уникальной фотографии - "селфи". Обученный дельфин Таффи сфотографировал сам себя в полной выкладке на глубине в 300 метров
И наконец, есть другие варианты запасти кислород - если склад не может вместить всё - нужно, чтобы было больше грузовиков, по которым можно временно раскидать груз. Вы поняли, о чём я?
Концентрация гемоглобина у дельфина не сильно отличается от таковой у человека, однако сам объём жидкости у дельфинов значительно больше. Но и не в этом главный секрет. Те сограждане, кто ещё застал китобойный промысел (особенно под конец) и пробовал мясо "королей погружения" - кашалотов (в начале 80-х почти на всех усатых китов был наложен либо мораторий, либо жёсткие ограничения, и кашалот стал главным объектом промысла) помнят, что их мясо было очень тёмным - практически чёрным. Особенность такого цвета заключалась в обилии миоглобина - вещества, подобного гемоглобину, но располагающегося в мышцах и внутренних органах. Оно также запасало кислород
Таким образом, у зубатых китов от лёгких "питались" только самые важные органы - такие как мозг, нервная система и прочее. Остальное - печень, желудок, почки, мышцы - переходили в "автономный режим", расходуя собственные запасы кислорода из миоглобина, создавая взамен молочную кислоту как продукт окисления. В связи с практически остановленным кровообращением, кислота не разносилась и не вредила другим органам, а выводилась уже после выныривания, когда пульс восстанавливался, а лёгкие получали свежую дозу кислорода
Помимо этого, киты научились гораздо более полно использовать содержащийся в воздухе кислород. При показателях содержания кислорода во вдыхаемом воздухе в 21%, человеку жизненно необходимо сменить воздух уже когда кислорода в нём будет 15%, а киты могут терпеть, пока концентрация не упадёт до восьми и даже двух процентов
Все эти сложные приспособления дали китообразным абсолютное первенство в подводном мире даже невзирая на необходимость иногда всплывать для вдоха. Однако, всегда что-то приобретая что-то и теряешь: зубатые киты полностью лишись голосовых связок. Но вместо этого приобрели уникальный аппарат для подачи подводных сигналов - воздушные мешки
Сегодня мы затронем их довольно поверхностно, поскольку они имеют косвенное отношение к дыхательной системе
Воздушные мешки расположены на пути от дыхала к лёгким и с двух сторон воздухоносных путей окружены мощными сфинктерами, что делает их на момент погружения практически изолированным звеном. С передней стороны они окружены мощным комплексом мышц и лобной жировой подушкой, служащей связующим звеном для подачи звуков. Под действием мышц, изолированный в мешках воздух может перемещаться, создавая резонанс при проходе через плотные и узкие щели. В ряде случаев воздух перетекает из мешка в мешок, но иногда вырывается наружу через дыхало-ноздрю. В лёгкие воздух из мешков не попадает
Удивительно, но у дельфинов практически нет защитных барьеров, предотвращающих попадание воды в лёгкие. Единственными ограничителями служат именно указанные выше два сфинктера, а вот никаких мембран, служащих "ситом" или "сифоном" не предусмотрено. Закрыта для дельфинов и возможность "прокашляться" - ведь под водой это невозможно. Если вода попала в дыхательные пути дельфина при дыхательном акте - он уйдёт с ней на глубину и, возможно, выдохнет вместе с отработанным воздухом уже при следующем выныривании. Довольно жестокие эксперименты американских учёных показали, что если дельфину помешать закрыть дыхало и отправить под воду - он может и не захлебнуться, поскольку вода не пройдёт через второй сфинктер после воздушных мешков, а при мощном выдохе будет удалена. Но если помешать или повредить и второй сфинктер - смерть может наступить даже если вода не зальёт лёгкие полностью - ведь сам дельфин с полным запасом воздуха по своей плотность приблизительно равен или чуть легче окружающей него воды, а с таким "утяжелителем" - у него гораздо больше шансов просто не всплыть
Как мы видим, дыхательная система зубатых китов за несколько миллионов лет претерпела обширные и уникальные анатомические изменения, вызванные сложной адаптацией к непривычной среде обитания.
Остаётся открытым вопрос: дышат ли киты осознанно или данный процесс автоматизирован? Некоторые исследователи уверены, что дыхание - это совершенно осознанный процесс, иные - что он вызван внешними факторами и происходит рефлекторно. Мне есть, что сказать на этот счёт. Но будет это в другой раз...
А на сегодня на этом всё, другие, уникальные публикации по теме китообразных вы можете увидеть на этом дзен-канале, переходите в нашу группу в ВК за анонсами, покупайте наш фирменный мерч и полезные книги, подписывайтесь на этот канал. Оставайтесь на связи