Физика в мире животных: наутилус и его «осмотический насос»

Источник: youtube

Наутилус (лат. Nautilus) — род головоногих моллюсков, которых относят к «живым ископаемым». Самый распространенный вид — Nautilus pompilius. Наутилусы относятся к единственному современному роду подкласса наутилоидей. Первые представители наутилоидей появились в кембрии, а его развитие пришлось на палеозой. Наутилиды почти вымерли на границе триаса и юры, но все же дожили до наших дней, в отличие от своих родственников аммонитов. Некоторые виды древних наутилусов достигали размера в 3,5 м. Представители самого крупного вида современных наутилусов достигают максимального размера в 25 см.

Современные наутилусы встречаются в Тихом и Индийском океанах. В некоторых регионах они многочисленны, но ареал их распространения не слишком широк. Живут наутилусы на глубинах 100-600 метров. Эти моллюски постоянно перемещаются в толще воды, как вертикально, так и горизонтально, причем для передвижения по вертикали наутилусы используют осмос — меняя концентрацию солей в полостях своей раковины

По горизонтали наутилусы движутся подобно головоногим моллюскам — при помощи выброса струи воды из воронки. В воронку превратилась задняя часть ноги, которая есть у всех моллюсков. Воронка представляет собой коническую трубку, которая ведет в мантийную полость. Она служит как «двигателем», так и рулем. Скорость перемещения по горизонтали наутилусы регулируют при помощи частоты выброса воды из воронки и изменением ее диаметра. Плавают они раковиной вперед, но если нужно схватить добычу, то поворачиваются к жертве «лицом».

Гораздо более интересен механизм перемещения наутилусов по вертикали. Моллюски без труда могут регулировать свою плавучесть, становясь легче или тяжелее воды, используя силу осмотического давления. Раковина моллюска, кроме жилого отсека и нескольких старых камер, заполнена жидкостью, состав которой отличается от морской воды. В частности, концентрация солей в этой жидкости ниже, чем в морской воды. Несколько камер заполнены биологическим газом, который вырабатывается наутилусом в процессе жизнедеятельности.

Для того, чтобы лучше понимать механизм передвижения наутилуса, стоит рассмотреть строение его раковины. У всех видов наутилусов раковина спиральная, сильно закрученная. Тело моллюска размещается всегда в последней, самой большой камере. Остальные камеры работают как гидростатическая система. В перегородках раковины есть отверстия, через них проходит тонкая трубка, которую называют сифоном. Эта трубка соединяется с задней частью тела наутилуса.



Раковина наутилуса в разрезе. Сифон не виден, поскольку он состоит из мягких тканей, которых нет в раковине на фото (Источник: Wikipedia)

Если наутилусу необходимо всплыть, он становится легче воды благодаря откачиванию из этой жидкости по сифону одновалентных ионов. Это, в основном, Na+ и Сl-. Регулирование концентрации одновалентных ионов производится при помощи специального фермента — Na-K-АТФазы. Гормон производится и накапливается в эпителиальной ткани сифона. Сначала ионы откачиваются из жидкости камеры, после чего поступают в сифон, и затем — в кровь. Возникает осмотическое давление, вода с низкой концентрацией солей поступает в сифон, а затем, через почки — в окружающую среду. В ряде камер раковины моллюска образуется разрежение, они заполняются газом, раковина становится легче, и наутилус всплывает.



На этой фотографии сифон виден очень хорошо (источник: discoveringfossils.co.uk)

Если наутилусу нужно погрузиться, ионы из крови под действием Na-K-АТФазы поступают в жидкость раковины. Осмотическое давление приводит к тому, что раковина набирает воду, камеры раковины постепенно заполняются, и животное вместе с раковиной становится тяжелее воды, что позволяет наутилусу погрузиться. Максимальная глубина погружения — около 700 метров, что соответствует 70 атмосферам. Именно такое давление способна выдержать раковина наутилуса. Погрузившись глубже, животное просто погибнет.

Наутилус может отрегулировать свою плавучесть таким образом, чтобы неподвижно зависнуть в толще морской воды. Центр плавучести у наутилуса не совпадает с центром тяжести, находясь на несколько сантиметров выше. Это позволяет обеспечить вертикальную устойчивость моллюска. При зависании в толще воды можно видеть, как наутилус качается с определенной амплитудой. Это вызвано тем, что моллюск для дыхания забирает воду в раковину. При «выдохе» струя воды дает толчок назад, раковина отклоняется от первоначального положения. При «вдохе» моллюск возвращается в исходную позицию.

У наутилусов есть еще одна интересная особенность — их глаза лишены хрусталиков и роговицы. Зрачок в их глазу — обычное отверстие, через которое свет попадает сразу на сетчатку. Никакой оболочки у этого глаза нет, зрачок и полость глаза заполнены водой. Японские исследователи изучили геном наутилуса, и обнаружили, что у этого моллюска нет гена Six3/6. Это древнейший ген, который есть практически у всех животных, от моллюсков до человека. Он отвечает за формирование хрусталика и роговицы. Возможно, предки наутилуса по какой-либо причине лишились этого гена в процессе эволюции. Также есть предположение, что глаз наутилуса является переходной формой между примитивным светочувствительного глазком и сложным глазом с хрусталиком и роговицей.

Источник: geektimes.ru/post/279138/