Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

О'Хэйр Мик

Дерек Смит

Лонг-Саттон, Линкольншир, Великобритания

Я несколько раз видел, как мои цихлиды пускали газы – к неудовольствию моего угря.

Вероятно, дело в том, что рыбы заглатывают слишком много воздуха, пока жадно пожирают корм с поверхности воды. Если бы воздух не выводился из организма, он наносил бы рыбам серьезный ущерб.

Питер Хенсон

Университет Лондона, Великобритания

Плавучесть большинству акул обеспечивает липидный сквален высокой плотности, а обыкновенные песчаные акулы Eugomphodus taurus

освоили технику пуканья как дополнительное средство для обеспечения плавучести. Акула выплывает на поверхность и заглатывает воздух, который попадает ей в желудок. После этого акула может выпускать воздух в нужных количествах, чтобы удерживаться на определенной глубине.

Александра Осман

Лондон, Великобритания

Ледяные лапы

«Почему в Антарктиде зимой у пингвинов не мерзнут лапы, несмотря на постоянное соприкосновение со льдом и снегом? Когда-то давно я слышала по радио, будто ученые обнаружили у пингвинов дополнительную систему кровоснабжения лап, не дающую им замерзать. Но никакой информации об этом или объяснений я нигде не нашла. Я пыталась выяснить у специалистов по пингвинам, правда ли это, но никто не смог мне ответить».

Сюзан Пейт

Эноггера, Квинсленд, Австралия

Как и другие птицы, живущие в холодном климате, пингвины приспособились почти не терять тепло и поддерживать температуру тела на уровне 40 °C. Поддержание температуры лап представляет серьезную проблему, так как их не покрывает защитный слой перьев или жира, а площадь поверхности ног велика (то же самое относится к полярным млекопитающим, например белым медведям).

В дело вступают два механизма. Во-первых, пингвины могут регулировать приток крови к лапам, меняя диаметр артерий, по которым поступает кровь. На холоде ее приток снижается, в тепле увеличивается. Такое же явление наблюдается и у людей: именно поэтому кисти наших рук и ступни белеют, когда нам холодно, и розовеют в тепле. Эта регуляция – чрезвычайно сложный механизм, в нем задействованы гипоталамус и разные органы нервной и эндокринной систем.

Кроме того, в верхней части лап у пингвинов есть «противоточный теплообменник». Артерии, подающие теплую кровь к лапам, разветвляются на множество мелких сосудов, которые соседствуют с таким же количеством вен, по которым холодная кровь уходит из лап. Тепло передается от теплой крови холодной, поэтому в ноги почти не по-ступает.

Зимой температура лап пингвинов на один-два градуса выше температуры замерзания: это помогает снизить до минимума потери тепла и избежать обморожения. Так же устроены лапы у гусей и уток, но, если несколько недель подержать их в тепле, а потом выпустить на снег и лед, лапы могут к ним примерзнуть. Дело в том, что физиологически птицы успевают адаптироваться к теплу, приток крови к ногам практически прекращается, а температура ног падает ниже точки замерзания.

Джон Дейвенпорт

Морская биологическая станция, Университет

Миллпорт, остров Камбра, Великобритания

Насчет дополнительной системы кровообращения ничего не могу сказать, но феномен холодных лап у пингвинов можно отчасти объяснить любопытными биохимическими причинами.

Реакция кислорода с гемоглобином относится к сильным экзотермическим: когда молекула гемоглобина присоединяется к кислороду, выделяется определенное количество тепла. Как правило, такое же количество тепла поглощается в обратной реакции, когда от гемоглобина отделяется кислород. Но поскольку окисление и вытеснение кислорода происходит в разных отделах организма, изменение параметров молекулярной среды, например кислотности, может привести к избыточной потере или накоплению тепла.

Количество тепла может варьироваться у разных существ. Организм антарктических пингвинов устроен так, что в морозы ткани периферийных органов, в том числе лап, выделяют меньше тепла, чем человеческие стопы. У этого явления есть два преимущества. Прежде всего, в гемоглобин птиц попадает меньше тепла при вытеснении кислорода, поэтому вероятность замерзания лап заметно снижается.

Еще одно преимущество – следствие законов термодинамики. При любой обратимой реакции, в том числе при поглощении или вытеснении кислорода гемоглобином, низкие температуры способствуют развитию реакции в экзотермическом направлении и препятствуют развитию в обратном. Следовательно, при низких температурах кислород активнее поглощается гемоглобином большинства живых существ и отделяется от него с трудом. Сравнительно низкое количество тепла означает, что в холодных тканях соединение гемоглобина с кислородом не достигает уровня, при котором кислород не может отделиться от него.

Изменение количества тепла у разных видов живых существ – еще одно любопытное следствие. У некоторых антарктических рыб тепло обычно выделяется при высвобождении кислорода. В крайнем проявлении это наблюдается у тунца, который при отделении кислорода от гемоглобина выдает столько тепла, что может поддерживать температуру тела, примерно на 17 °C превышающую температуру окружающей среды. Значит, тунец вовсе не хладнокровный!

Обратное явление наблюдается у животных, которым необходимо снижать количество тепла из-за чрезмерной метаболической активности. При окислении гемоглобина количество тепла в организме мигрирующей водяной курочки превышает этот же показатель в организме простого голубя. Поэтому курочка может преодолевать большие расстояния и не перегреваться.

И наконец, эмбрионам необходимо куда-то девать тепло, а единственное звено, которое связывает их с внешним миром, – кровеносная система матери. Снижение количества тепла при окислении гемоглобина эмбриона по сравнению с гемоглобином матери приводит к тому, что при выходе кислорода из крови матери тепла поглощается больше, чем выделяется при окислении гемоглобина эмбриона. Таким образом, тепло попадает в кровеносную систему матери и уносится от эмбриона.

Крис Купер и Майк Уилсон

Университет Эссекса, Колчестер, Великобритания

Полеты на плавниках

«Почему летучие рыбы летают? Спасаются от хищников, ловят в воздухе насекомых или просто полеты для них – более эффективный способ передвижения, чем плавание? Или существует совершенно иная причина?»

Джулиан Картрайт

Пальма-де-Майорка, Испания

Обычно полеты летучих рыб объясняют бегством от хищников, особенно от стремительных дельфинов. Рыбы выскакивают из воды не для того, чтобы ловить насекомых: летучие рыбы живут в открытом океане, а над большими водными пространствами насекомые летают редко.