Как же дельфины справляются с турбулентностью? Гидродинамик Макс Крамер показал, что сопротивление воды, испытываемое дельфином при движении, в 10 раз меньше, чем сопротивление при движении модели того же размера и формы с обычной обшивкой. Крамер предположил, что кожа дельфинов гасит турбулентные завихрения за счет своей упругости. В ней есть два основных слоя – эластичный наружный (эпидермис) и лежащий под ним упругий внутренний (дерма с высокими сосочками и жировым отложением). По мнению Крамера, наружный слой выгибается и пружинит под давлением воды, что позволяет гасить зарождающиеся завихрения. Ориентируясь на строение кожи дельфина, Крамер разработал искусственное покрытие «ламинфло», которое существенно уменьшало сопротивление потока жидкости.
Большое внимание строению кожи дельфина уделяли и советские ученые, искавшие способы снизить сопротивление воды для увеличения скорости подводных лодок. Советские исследователи предполагали, что способность дельфинов к поддержанию ламинарного обтекания связана прежде всего с постоянной динамичной подстройкой кожи к силе потока. Согласно их гипотезе, каждый сосочек кожи благодаря увеличению или уменьшению просвета кровеносных сосудов на различных скоростях плавания обладает переменной упругостью, которая рефлекторно меняется в зависимости от силы набегающего потока.
Обсуждение парадокса Грея продолжалось и позже, однако до недавнего времени никто не подвергал сомнению главный тезис, лежащий в его основе, – что сила, создаваемая мышцами дельфина, должна быть равна силе сопротивления воды. В 2014 году группа физиков доказала, что это неверно: для объектов, движущихся с помощью волнообразных изгибов тела, сила мышц, толкающих тело вперед, в действительности может быть меньше действующей на него силы сопротивления, и никакого парадокса в этом нет.
Еще один удар по парадоксу Грея нанесли американские ученые, разработавшие метод измерения скорости и направления движения частиц воды. Для этого бассейн наполняется мельчайшими пузырьками воздуха, а движущегося сквозь шлейф этих пузырьков дельфина снимает высокоскоростная видеокамера. Затем перемещения каждого пузырька на видео отслеживает от кадра к кадру специальная программа. Измерение скорости и направления движения пузырьков дает возможность рассчитать силу, которую развивает хвост дельфина в движении.
В результате этих измерений выяснилось, что в среднем он развивает примерно в 10 раз бо́льшую силу, чем предполагал Грей. Этого с лихвой хватает, чтобы двигаться под водой с теми скоростями, что характерны для дельфинов. Почему же результаты расчетов Грея так сильно отличались от экспериментальных? Во-первых, Грей, судя по всему, существенно недооценил мощность мышц млекопитающих: расчеты для дельфина он проводил на примере рывка, длившегося семь секунд, а для людей-гребцов рассчитывал мощность на протяжении трех – пяти минут непрерывной работы. Однако на рывке мышцы сокращаются за счет «быстрых» волокон и выдают бо́льшую мощность, чем при продолжительной работе, в которой задействованы, скорее, «медленные» волокна, поэтому сравнивать эти результаты некорректно. Во-вторых, оценка взаимосвязи мышечной массы и механики локомоторного движения – крайне сложная задача с большим количеством неизвестных, особенно у двух таких разных видов, как дельфин и человек; так что неудивительно, что результаты Грея оказались довольно далеки от реальности.
Получается, что парадокс Грея – вовсе не парадокс, и кожа дельфинов, которую так внимательно исследовали во времена холодной войны ученые обоих лагерей, не так уж и важна для их быстроходности. Хотя за прошедшие с работ Крамера десятилетия было опубликовано немало статей, теоретически обосновывающих и практически доказывающих, что упругая кожа снижает турбулентность, этот эффект, судя по всему, играет не самую важную роль в движении дельфинов. Главным оказался все-таки хвост.
Еще одна проблема, возникающая у млекопитающих при переходе к водному образу жизни, – это дыхание. Естественно, киты не могут, подобно рыбам, дышать растворенным в воде кислородом, поэтому им приходится постоянно выныривать за очередной порцией воздуха. Чтобы уменьшить возникающие при этом ограничения, форма их черепа изменилась: ноздри с конца морды «переползли» на верхнюю часть головы. Для чего это нужно, легко понять – когда кит выныривает на поверхность, гораздо удобнее дышать через дырку в той части тела, которая естественным образом торчит над водой, чем специально высовывать из воды кончик носа.
У дальних предков китообразных и даже у ранних представителей этой группы носовые отверстия находились там, где положено, – на кончике морды. Однако по мере приспособления к водному образу жизни ноздри стали постепенно смещаться назад и вверх. Для этого китам пришлось очень сильно изменить форму костей черепа – предчелюстная и челюстная кости существенно удлинились, а носовая и лобная сплющились.
У китообразных развился целый ряд приспособлений, предотвращающих попадание воды в дыхательный тракт. Когда кит или дельфин ныряет, его ноздри закрываются специальным клапаном. У двух доживших до нашего времени групп китообразных – усатых и зубатых китов – дыхало устроено немного по-разному: у усатых китов оно открывается наружу двумя раздельными отверстиями, а у зубатых эти отверстия срослись в одно общее. Впрочем, ниже, под дыхалом, носовой проход делится на два отдельных канала, которые играют важнейшую роль в жизни зубатых китов, – в них расположены так называемые вокальные губы, используемые для издавания звуков. В каждом из двух каналов носового прохода имеется по паре вокальных губ, что позволяет издавать два разных звука одновременно. У дельфинов одна пара вокальных губ несколько крупнее другой, и считается, что правая пара используется для щелканья, а левая – для свиста. Чтобы заставить вокальные губы вибрировать, дельфины пользуются тем же, чем и мы, – потоком воздуха, но, чтобы воздух не заканчивался и можно было подольше кричать под водой, они не выдыхают его наружу, а перегоняют между воздушными мешками, расположенными над и под вокальными губами.
Ниже вокальных губ и воздушных мешков носовые проходы сливаются в одну общую дыхательную трубку. Поскольку китообразные поглощают пищу под водой, им важно отделить пищевод от трахеи, чтобы вода случайно не попала в дыхательный тракт. У нас и у прочих наземных зверей трахея соединяется с пищеводом чуть выше гортани – довольно неудачное дизайнерское решение, из-за которого мы способны подавиться едой (что иногда даже приводит к смертельному исходу). Если на минуту предположить, что креационисты правы и наш мир – результат разумного замысла, то в этом месте Творец явно напортачил. У дельфинов, которым приходится питаться под водой, эта проблема стоит еще острее, но Творец, исправляя ошибку, придумал еще более странную конструкцию – разросшиеся хрящи гортани у них образуют трубку, проходящую насквозь через пищевод. Благодаря этому дыхательный и пищеварительный тракты действительно оказались разделены, но еду приходится проталкивать через пищевод слева или справа от дыхательной трубки.
Когда кит выдыхает, нередко можно видеть так называемый фонтан, форма и размер которого различаются у разных видов. Существует ошибочное представление, будто фонтан – это вода, которую кит захватил в глотку при питании и выбрасывает через дыхало, отфильтровав пищевые объекты. Конечно, это не так: захваченную воду кит выталкивает наружу через китовый ус. На самом деле фонтан состоит даже не из воды, а в основном из водяного пара. Он образуется из-за конденсации влаги при выбрасывании теплого воздуха из легких в холодный наружный воздух. Выраженность фонтана сильно зависит от погоды – иногда довольно большой фонтан можно видеть даже у косаток, а бывает, что и у крупных китов никакого фонтана не заметно.
