ПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЫБ

Плавучесть рыб (отношение плотности тела рыбы к плотности воды) может быть нейтральной (0), положительной или отрицательной. У большинства видов плавучесть колеблется от +0,03 до –0,03. При положительной плавучести рыбы всплывают, при нейтральной парят в толще воды, при отрицательной погружаются.

Рис. 10. Плавательный пузырь карповых.

Нейтральная плавучесть (или гидростатическое равновесие) у рыб достигается:

1) при помощи плавательного пузыря;

2) обводнением мышц и облегчением скелета (у глубоководных рыб)

3) накоплением жира (акулы, тунцы, скумбрии, камбалы, бычки, вьюны и т.д.).

Большинство рыб имеют плавательный пузырь. Его возникновение связывают с появлением костного скелета, который увеличивает удельный вес костных рыб. У хрящевых рыб плавательный пузырь отсутствует, из костистых его нет у донных (бычки, камбалы, пинагор), глубоководных и некоторых быстроплавающих видов (тунец, пеламида, скумбрия). Дополнительным гидростатическим приспособлением у этих рыб является подъемная сила, которая образуется за счет мускульных усилий.

Плавательный пузырь образуется в результате выпячивания дорзальной стенки пищевода, его основная функция – гидростатическая. Плавательный пузырь воспринимает также изменения давления, имеет непосредственное отношение к органу слуха, являясь резонатором и рефлектором звуковых колебаний. У вьюновых плавательный пузырь покрыт костной капсулой, утратил гидростатическую функцию, и приобрел способность воспринимать изменения атмосферного давления. У двоякодышащих и костных ганоидов плавательный пузырь выполняет функцию дыхания. Некоторые рыбы способны при помощи плавательного пузыря издавать звуки (треска, мерлуза).

Плавательный пузырь представляет собой относительно большой эластичный мешок, который расположен под почками. Он бывает:

1) непарный (большинство рыб);

2) парный (двоякодышащие и многоперы).

У многих рыб плавательный пузырь однокамерный (лососевые), у некоторых видов двухкамерный (карповые) или трехкамерный (ошибень), камеры между собой сообщаются. У ряда рыб отплавательного пузыря отходят слепые отростки, соединяющие его с внутренним ухом (сельдевые, тресковые и др.).

Плавательный пузырь заполнен смесью кислорода, азота и углекислого газа. Соотношение газов в плавательном пузыре у рыб различается и зависит от вида рыб, глубины обитания, физиологического состояния и др. У глубоководных рыб в плавательном пузыре содержится значительно больше кислорода, чем у видов, обитающих ближе к поверхности. Рыбы с плавательным пузырем делятся на открытопузырных и закрытопузырных. У открытопузырных рыб плавательный пузырь соединяется с пищеводом с помощью воздушного протока. К ним относятся – двоякодышащие, многоперы, хрящевые и костные ганоиды, из костистых – сельдеобразные, карпообразные, щукообразные. У атлантической сельди, шпрота и хамсы помимо обычного воздушного протока имеется второй проток позади анального отверстия, который соединяет заднюю часть плавательного пузыря с внешней средой. У закрытопузырных рыб воздушный проток отсутствует (окунеобразные, трескообразные, кефалеобразные и др.). Первоначальное заполнение плавательного пузыря газами у рыб происходит при заглатывании личинкой атмосферного воздуха. Так, у личинок карпа это имеет место через 1–1,5 суток после вылупления. Если этого не происходит, развитие личинки нарушается и она гибнет. У закрытопузырных рыб плавательный пузырь со временем утрачивает связь с наружной средой, у открытопузырных воздушный проток сохраняется в течение всей жизни. Регулирование объема газов в плавательном пузыре у закрыто пузырных рыб происходит при помощи двух систем:

1) газовая железа (наполняет пузырь газами из крови);

2) овал (поглощает газы из пузыря в кровь).

Газовая железа – система артериальных и венозных сосудов, расположенных в передней части плавательного пузыря. Овал участок во внутренней оболочке плавательного пузыря с тонкими стенками, окруженный мышечным сфинктером, расположен в задней части пузыря. При расслаблении сфинктера газы из плавательного пузыря поступают к среднему слою его стенки, где имеются венозные капилляры и происходит их диффузия в кровь. Количество поглощаемых газов регулируется изменением величины отверстия овала.

При погружении закрытопузырных рыб объем газов в их плавательном пузыре уменьшается, и рыбы приобретают отрицательную плавучесть, но по достижении определенной глубины адаптируются к ней путем выделения газов в плавательный пузырь через газовую железу. При подъеме рыбы, когда давление уменьшается, объем газов в плавательном пузыре увеличивается, избыток их поглощается через овал в кровь, а затем через жабры удаляется в воду. У открытопузырных рыб овала нет, избыток газов выводится наружу через воздушный проток. Большинство открытопузырных рыб не имеют газовой железы (сельдевые, лососевые). Секреция газов из крови в пузырь развита слабо и осуществляется с помощью эпителия, расположенного на внутреннем слое пузыря. Многие открытопузырные рыбы для обеспечения на глубине нейтральной плавучести перед погружением захватывают воздух. Однако при сильных погружениях его бывает недостаточно, и наполнение плавательного пузыря происходит газами, поступающими из крови.

И правда, сколько хлопот с ним: то накачивай в него газы, то выпускай. Рыбам , у которых плавательный пузырь сообщается с кишечником, сельдям, сомам, щукам, тяжело лишь при нырянии — приходится нагнетать газы в пузырь при все увеличивающемся давлении. Зато всплывая, они легко выпускают газовые излишки через рот в воду. А у рыб с закрытым, герметичным пузырем — трески, наваги, кефали, речного окуня — нет клапана, через который можно стравить газ, снизить давление при всплытии. Сначала газы поступают в кровь, а потом через жабры в воду. Процесс весьма трудоемкий и длительный. У речного окуня, когда его тащат на удочке с десятиметровой глубины, пузырь неимоверно распирает тело — увеличивается вдвое. Поэтому на свободе окунь всплывает черепашьим шагом — пять метров в час. Ныряет же он, как и прочие рыбы, в восемь раз медленнее, потому что накачивать газы в пузырь труднее: их сначала с помощью жабр нужно поглотить из воды.

Обычно в плавательном пузыре 17 процентов кислорода, 80 процентов азота, 2,8 процента углекислоты. Но есть и исключения, как, впрочем, и из всякого правила. Так, у лососей в плавательном пузыре 90 процентов азота, у других рыб пузырь надут чистым кислородом, у третьих — заполнен невероятным газовым коктейлем. Эксперименты с мечеными атомами показали, что кислород, наполняющий пузырь, ранее был растворен в воде, а углекислота попала сюда не из воды, а из тканей тела.

Форточкой для проветривания пузыря служит газовая железа — переплетение капилляров. В пузыре угря она занимает квадратный сантиметр. На этой крохотной территории уместились сто тысяч капилляров общей длиной 400 метров. И как ни странно, одной-единственной капли крови достаточно, чтобы до отказа заполнить это хитрое сооружение. В нем на благо рыб трудятся высокоактивные ферменты. Однако, как именно они трудятся, пока не очень ясно. Точно неизвестно даже, как в жабрах кислород переходит из воды в кровь, а потом в пузырь.

Кстати, жабры нужны не только для дыхания. Вез них иной водной жительнице и поговорить не удастся — слова заменяет скрежет жаберных крышек. Порой без жабр и не поешь как следует: через них, как сквозь сито, удобно цедить воду, а задержанную мелкую живность можно отправить в пищевод. Именно так делает селедка. И чтобы есть со вкусом, чувствительные вкусовые луковицы усеяли не только рыбьи рты, но и жабры. Итак, жабрами рыбы дышат, разговаривают и едят. Но этого мало без жабр рыбы не могли бы и напиться. Ведь далеко не все глотают воду, хотя кругом ее сколько угодно, многие предпочитают впитывать влагу через жабры.

На жабрах лежит и такая важная обязанность: поддержание рыбьего солевого обмена. В помощь почкам через жабры из воды вбираются соли, которых недостает в пище, и выбрасываются те, которых слишком много. Дело это хлопотливое: жабрам, например, приходится удалять излишки поваренной соли, несмотря на то, что ее концентрация внутри рыбы меньше, чем в океанской воде.

Словно зная обо всем этом, рыбы внимательно следят за жабрами, стараются держать их в чистоте. Самый простой прием чистки - покашлять, похлопать жаберными крышками. Это избавляет от грязи, приставшей к нежным жаберным листочкам. Но, увы, кашляй хоть час, не от всякой грязи отделаешься. Вот тому невеселое подтверждение: приступы кашля тем чаще одолевают пескарей, чем сильнее вода загрязнена медью и ртутью, попавшими туда из неочищенных промышленных стоков.

Как бы там ни было, не только жабры, но и плавательный пузырь полезен во многих отношениях. Благодаря ему рыбы экономят 70 процентов энергии, необходимой для уравновешивания тела в воде. Кроме того, пузырь — превосходное ухо, чувствует изменения внешнего давления на одну миллионную долю. И поэтому большинство рыб сначала слушают животом — пузырь играет роль резонатора, усиливающего внешние звуки. В нем звуковые колебания превращаются в механические, и затем нервные импульсы передаются в голову — во внутреннее ухо.

Есть у пузыря и еще одна функция, прямо противоположная предыдущей. Большинство рыб — чревовещатели, они разговаривают не жаберными крышками, а с помощью пузыря, даже не открыв рта. Маленькие рыбки попискивают на высоких тонах, а большие рыбины с объемистым пузырем солидно басят. С точки зрения акустики пузырь схож с барабаном. Ударяют по нему особые мышцы, расположенные но бокам рыбьего тела, или обычная скелетная мускулатура, или даже плавники. И барабан этот у разных рыб то ворчит, то хрюкают, то ревет, как пароходная сирена. А рыба спинорог, как заправский джазовый ударник, стучит по своему пузырю специальной костью.

И не любопытно ли, что барабанные мышцы, заставляющие звучать пузырь, у рыб-самок развиты хуже, чем у самцов. Холоднокровные представительницы прекрасного пола и беседуют реже, и звуки у них тише. Так что среди судаков судачат преимущественно солидные отцы семейства. Однако не все рыбьи звуки исходят из пузыря. Например, никто не знает, каким образом бычок выдавливает из своего тельца рычание, кваканье и верещание — пузыря у него нет, а на жаберных крышках или зубами такую симфонию не исполнишь.

Пузырь служит верой и правдой, даже когда рыбы отправляются и свой последний путь — трепещут в зубах хищника или на крючке рыболова. Сильнейшим сжатием плавательного пузыря некоторые рыбы испускают крик боли — дают знать подругам о несчастье. И те бросаются прочь от опасного места. Правда, есть рыбы, которые молча переносят боль, и вряд ли это полезно для вида. Лучше кричать громко: крики страдания горбыля-пескады , запутавшегося в сеть амазонских рыбаков, слышны за 200 метров. И уж эту сеть другие горбыли обойдут стороной.

Примите к сведению , что поверхность нежных жаберных лепестков колоссальна и чем стремительнее их обладательница, тем поверхность больше. Сравните — у скумбрии но грамм тела приходится 1040 квадратных миллиметров площади жабр, у более ленивого гольца — 275 — 432. Но такого рода сведения не окончательны; фотографии, сделанные с помощью электронного микроскопа, показали, что поверхность жаберных лепестков усеяна микрогребнями, которые невероятно увеличивают их и без того гигантскую площадь.

Одно из любимых лакомств рыболовов – рыбий плавательный пузырь, поджаренный на костре… но, разумеется, природа создала этот орган не для человеческой забавы. А для чего?

Ответ очевиден: плавательный пузырь необходим рыбам для того, чтобы плавать – точнее, оставаться на определенной глубине. Это нечто вроде природного гидростатического датчика.

Представим себе, что рыба опустилась чуть поглубже. Давление воды на ее тело сразу же возросло. За счет увеличения давления плавательный пузырь начинает сжиматься, выталкивая из себя воздух – причем происходит это автоматически, управлять данным процессом произвольно рыбы неспособны.

Как мы помним из школьного курса физики, воздух легче воды. Следовательно, если количество воздуха в пузыре уменьшилось, рыба стала несколько тяжелее, и ей становится легче погружаться. Если бы ее вес был постоянным, ей пришлось бы приложить немало усилий для погружения, но можно сказать, что пузырь делает за нее половину работы.

Нервные окончания, пронизывающие пузырь, передают в центральную нервную систему соответствующие сигналы, благодаря которым рыба чувствует, на какой глубине она находится, какое давление испытывает, и она корректирует свое движение в соответствии с этим.

Если же рыба поднимается, то все происходит с точностью до наоборот: давление воды на тело рыбы снижается, плавательный пузырь расширяется, втягивая в себя воздух. Вес рыбы уменьшается, и ей становится легче подниматься.

Такая функция плавательного пузыря объясняет, почему его нет у глубоководных рыб и у тех, которые ведут донный образ жизни – зачем он им, если они никогда и не пытаются всплыть!

Впрочем, гидростатика – это главная, но не единственная функция плавательного пузыря. Рыб принято считать «образцом» молчаливости, но ученые-ихтиологи никогда с этим не согласятся. Рыбы вполне способны подавать сигналы себе подобным, преобразуя колебания воды в звуковые волны – и делают они это тоже с помощью плавательного пузыря.

Каким образом рыбы обзавелись таким полезным приобретением?

На этот вопрос отвечает эмбриональное развитие. Плавательный пузырь формируется из выроста кишечной трубки. В общем-то, это неудивительно, ведь первое, что сформировалось у самых древних многоклеточных – это кишечная полость, прочие органы так или иначе должны были произойти от нее. А вот дальше возможны варианты: проход между кишечником и плавательным пузырем у одних видов рыб зарастает, у других – сохраняется. Это нашло отражение в классификации рыб: первых ученые называют физоклистами (закрытопузырными), а вторых – физостомами (открытопузырными). У физоклистов газы попадают в пузырь из крови через красное тело – скопление капилляров на его стенке, а у физостом – через кишечник, они попросту заглатывают воздух.

Кстати, расширение с втягиванием воздуха, сжатие с его выталкиванием, а у открытопузыпных еще и через рот… вам это ничего не напоминает? Конечно же, легкие! Да, плавательный пузырь – это эволюционный «предок» легких, которыми обзавелись сухопутные животные, и мы – в том числе.

Сравнение кузовкового (А, скумброидного (Б и угревидного (В типов локомоции. Д - давление хвоста на воду.  

Плавательные пузыри бывают двух видов.  

Плавательный пузырь обеспечивает рыбе нулевую плавучесть, благодаря чему она не всплывает на поверхность и не опускается на дно. Предположим, рыба плывет вниз. Возрастающее давление воды сжимает газ в пузыре. Объем рыбы, а с ним и плавучесть уменьшаются, и, чтобы не утонуть, рыбе пришлось бы совершать движения плавниками. Но вместо этого рыба выделяет газ в плавательный пузырь, так что его объем остается примерно постоянным.  

Плавательный пузырь заполнен воздухом. Питание смешанное с преобладанием эндогенного.  

Плавательный пузырь заполнен воздухом. Личинка активна, заглатывает пишу, но продолжает также питаться и за счет желточного мешка. Личинки плавают в толще воды.  

Но плавательный пузырь служит для рыбы не только гидростатическим аппаратом; как выяснили физиологи, он выполняет и другую, и притом еще более важную функцию, связанную уже с работой кровеносной системы. Когда рыба поднимается из нижних слоев в верхние, где ее тело испытывает меньшее давление, меняется и насыщаемость крови газами. В этих условиях кровь оказывается пересыщенной газами, и если бы эти газы выделялись в виде свободных пузырьков, то это повело бы к закупорке сосудов и гибели рыбы. Плавательный пузырь и является органом, регулирующим содержание газов в крови. На его внутренней поверхности у многих рыб находится так называемое красное тело - сильно разветвленная сеть капилляров, через которые и происходит выделение из крови избытка газов или, наоборот, поглощение газов кровью, если их в ней недостаточно.  

Использование липидов в плавательном пузыре целесообразно по ряду причин. Во-первых, как мы уже говорили, пузыри, наполненные газом, настолько подвержены сжатию, что на больших глубинах в значительной степени теряют свою эффективность. Во-вторых, на большой глубине секреция кислорода в полость пузыря, наполненную газом, может оказаться затрудненной или даже невозможной. Переходу кислорода в плавательный пузырь противодействует высокое обратное давление кислорода, находящегося в пузыре. Однако этого обратного давления, вероятно, не будет, если пузырь наполнен липидами. При высоких давлениях газы более растворимы в липидах, чем в водной среде. Поэтому у глубоководных рыб кислород плавательного пузыря, растворенный в смеси холестерина и фосфолипидов, будет оставаться в пузыре, так как здесь он более растворим, чем в крови.  

Появившийся в ходе эволюции плавательный пузырь освободил парные плавники от поддерживающей функции. Они стали гораздо меньше, чем у акулы и служат для обеспечения устойчивости или для торможения; в последнем случае они расправляются вертикально под углом 90 к телу. Два грудных плавника могут работать независимо один от другого, и благодаря этому рыба может делать быстрый поворот вокруг одного из них как оси вращения. Когда рыба плывет по прямой, парные плавники плотно прижаты к бокам тела, что делает его более обтекаемым.  

Вскрытый окунь.

Блестящий, наполненный воздухом плавательный пузырь, который лежит в полости тела ближе к спине и прежде всего бросается в глаза, когда мы вскрываем рыбу (если только по неосторожности мы его не проткнули ножницами), хотя и не имеет отношения к перевариванию пищи, однако. У некоторых рыб он остается связанным с пищеводом посредством узкой воздушной трубочки в течение всей жизни (таков, например, пузырь у щукил шуэпа карася, плотвы); у других эта трубка есть тольк. Форма пузыря различна у разных рыб.  

Плавательный пузырь может выполнять гидростатические, дыхательные и звукообразовательные функции. Отсутствует у парусниковых , а также рыб, ведущих донный образ жизни и у глубоководных рыб. У последних плавучесть обеспечивается в основном за счет жира благодаря его несжимаемости или за счёт более низкой плотности тела рыбы, как например, у анциструсов , голомянок и рыбы-капли . В процессе эволюции плавательный пузырь преобразовался в лёгкие наземных позвоночных .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Биология 74. Рыжая лисица. Плавательный пузырь у рыб - Академия занимательных наук

Биология | Подготовка к олимпиаде 2017 | Задача "Плавательный пузырь"

Белов Александр Иванович, Ложь Дарвинизма

Субтитры

Описание

В процессе эмбрионального развития рыб плавательный пузырь возникает как спинной вырост кишечной трубки и располагается под позвоночником . В процессе дальнейшего развития канал, соединяющий плавательный пузырь с пищеводом, может исчезнуть. В зависимости от наличия или отсутствия такого канала рыбы делятся на открыто- и закрытопузырных. У открытопузырных рыб (физостом ) плавательный пузырь в течение всей жизни связан с кишечником воздушным протоком, через который газы поступают внутрь и выводятся наружу. Такие рыбы могут заглатывать воздух и таким образом контролировать объём плавательного пузыря. К открытопузырным относятся карпы , сельди , осетровые и другие. У взрослых закрытопузырных рыб (физоклистов ) воздушный проток зарастает, а газы выделяются и поглощаются через красное тело - густое сплетение кровеносных капилляров на внутренней стенке плавательного пузыря.

Гидростатическая функция

Основная функция плавательного пузыря у рыбы - гидростатическая. Он помогает рыбе оставаться на определённой глубине, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба активно опускается ниже этого уровня, тело её, испытывая большее наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая плавательный пузырь. При этом вес вытесняемого объёма воды уменьшается и становится меньше веса рыбы и рыба падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжается её падение. Наоборот, при всплытии ближе к поверхности газ в плавательном пузыре расширяется и уменьшает удельный вес рыбы, что ещё больше выталкивает рыбу к поверхности.

Таким образом, основное назначение плавательного пузыря - обеспечивать нулевую плавучесть в зоне обычного обитания рыбы, где ей не надо тратить энергию на поддержание тела на этой глубине. Например, акулы , у которых плавательный пузырь отсутствует, вынуждены поддерживать глубину своего погружения постоянным активным движением.