Направленный высокочастотный слух стал предпосылкой развития еще одной адаптации, определившей эволюционный успех зубатых китов, – эхолокации. В воде видимость не превышает десятков метров, а чаще и того меньше, и в таких условиях китообразным приходится находить добычу на слух – по звукам, издаваемым косяками рыбы, или ориентируясь на крики пирующих морских птиц. Но зубатые киты научились активно использовать звук для ориентировки и поиска корма – они издают щелчки, которые отражаются от добычи или от дна и эхом возвращаются назад, и по этому эху животное может определить расстояние до объекта, его размер, форму и даже материал, из которого он состоит. Разрешающая способность эхолокации дельфинов просто поразительна – они, можно сказать, видят с помощью звука
[24]. На расстоянии сотни метров дельфины способны обнаружить пятисантиметровую металлическую сферу. Плавательный пузырь рыб, наполненный воздухом, отражает звук еще лучше, чем металл, так что шанса спрятаться от голодных дельфинов у них не остается – даже камбалу, закопавшуюся в песок, они легко находят с помощью своего эхолокатора.
Зрение и слух – не единственные проблемы китов и дельфинов, доставшиеся им в наследство от сухопутных предков. Китообразные проводят всю жизнь в воде, будучи при этом млекопитающими со всеми вытекающими последствиями: они теплокровны, дышат воздухом, рождают живых детенышей и выкармливают их молоком. В этом есть свои преимущества и недостатки. Теплокровность и воздушное дыхание позволяют поддерживать более высокий уровень обмена веществ и иметь большой сложный мозг, который не могут себе позволить прочие морские обитатели, – никакая рыба не сравнится с китом по уровню интеллекта. В то же время все эти особенности, появившиеся у сухопутных животных, в воде порождают ряд проблем, которые китообразным приходится так или иначе решать.
Взять хотя бы теплокровность. Все мы знаем, что в воде можно замерзнуть гораздо быстрее, чем на воздухе, даже если ее температура ненамного ниже температуры тела, – это связано с высокой теплопроводностью воды. Китообразные проводят в воде всю жизнь и нередко обитают в холодных, а то и вовсе приполярных водах. Меха у них нет – ведь он греет под водой лишь до тех пор, пока не намокает и сохраняет прослойку воздуха, так что это не лучший вариант для животных, постоянно находящихся в воде. Чтобы не замерзнуть, китообразные «одеты» в прослойку подкожного жира. У тропических дельфинов он совсем тонкий, а у обитателей холодных вод может достигать внушительной толщины – например, до 40 сантиметров у гренландского кита.
Помогают сохранять тепло и крупные размеры – ведь по мере увеличения животного его поверхность растет в квадрате по сравнению с линейными размерами, а объем – в кубе. Поэтому отношение поверхности к объему у крупных животных ниже, чем у точно таких же по форме, но маленьких, соответственно ниже и потери тепла. Китообразные – довольно крупные животные. Самое мелкое из них – дельфин Гектора – лишь немногим уступает в размерах взрослому человеку: его длина составляет 1,2–1,6 метра, а вес – 40–60 килограммов. Самое большое китообразное и вообще самое крупное животное, когда-либо жившее на Земле, – это синий кит, достигающий длины 33 метра и веса более 170 тонн.
Другое приспособление к сохранению тепла – это так называемые комплексные сосуды в плавниках. Слой жира изолирует только тело кита, но не плавники, поэтому теплоотдача через них значительно выше. Чтобы избежать лишних теплопотерь, сосуды у китообразных в плавниках имеют особое строение: центральная артерия окружена сетью вен. Артерия несет теплую кровь из глубины тела, а вены – холодную кровь из конечности; в комплексных сосудах они соприкасаются, и теплая артериальная кровь по ходу сосуда согревает холодную венозную кровь, отдавая ей тепло. В итоге конечность остается холодной, а тепло возвращается обратно в тело животного.
Когда кит движется быстро, у него возникает обратная проблема – как избавиться от лишнего тепла, ведь тело-то изолировано слоем жира. В таких ситуациях усиливается кровоток в плавниках, артерия расширяется, частично пережимая окружающие ее вены, и поток теплой крови устремляется к краям плавников, щедро отдавая тепло во внешнюю среду. Помимо увеличения теплоотдачи, это приводит к повышению жесткости плавников, что тоже важно при быстром передвижении. В результате достигается двойной эффект: когда животное находится в спокойном состоянии и плывет медленно, комплексные сосуды слабо наполнены кровью, теплоотдача низкая и плавники мягкие; при активном плавании комплексные сосуды наполняются кровью, теплоотдача высокая и плавники жесткие.
Подкожный слой жира как подводная теплоизоляция хорош всем, кроме одного: кожа находится снаружи от него и, соответственно, остывает. А ведь она должна периодически обновляться, и для этого необходим приток крови, несущей питательные вещества для роста новых клеток. Но если приток крови произойдет в холодной воде, это приведет к значительной потере тепла. Некоторые обитатели холодных вод, например белухи, населяющие арктические моря, решают эту проблему, выбирая для линьки мелководные теплые бухты и эстуарии рек. А антарктические косатки типа «B», охотящиеся на тюленей среди плавучих льдов, поступают еще радикальнее – они совершают регулярные миграции в тропики. Этот удивительный факт обнаружил американский ученый Джон Дурбан с помощью установленных на плавники косаток спутниковых меток, которые регулярно транслировали местоположение животного. Миграции не приурочены к какому-то определенному сезону; просто время от времени косатки покидали ледяные антарктические воды и быстро шли прямиком на север, достигая теплых вод на широте Уругвая и Бразилии. Один трек, длившийся 109 дней, позволил зафиксировать безостановочную миграцию туда-обратно длиной более 9400 километров всего за 42 дня. В теплых водах косатки перемещались медленнее, но не было замечено никаких резких изменений в скорости или направлении движения, которые могли бы указывать на роды, длительную кормежку или другие уважительные причины, ради которых стоило бы идти в такую даль. Единственное объяснение таким миграциям – потребность косаток в линьке. Им необходимо периодически сбрасывать отмирающую старую кожу и наращивать новую, но регенерация требует прилива крови, что ведет к резкому росту теплопотерь. По-видимому, косаткам энергетически выгоднее сплавать в отпуск в тропики, чем линять в антарктических водах при температуре, близкой к нулю.
Кожа дельфинов долгое время привлекала пристальный интерес биомехаников, которые решали важную стратегическую проблему – как добиться, чтобы крейсеры и подводные лодки ходили быстрее. Еще в 1930-х годах англичанин Джеймс Грей измерил скорость плавания дельфинов и посчитал, что для движения с такой скоростью они должны обладать в семь раз большей мышечной силой, чем другие млекопитающие (парадокс Грея). Он предположил, что дельфины умеют управлять обтекаемостью своей кожи, сохраняя ламинарное обтекание при скоростях движения, для которых оно уже должно становиться турбулентным.
Что такое турбулентность? При некоторой небольшой скорости движения слои жидкости перемещаются параллельно друг другу, без завихрений – такое обтекание называется ламинарным. При увеличении скорости в среде самопроизвольно образуются многочисленные завихрения. Они появляются случайно, и их размер и амплитуда меняются хаотически. Турбулентность существенно повышает сопротивление, ограничивая максимальную скорость движения.
