В потоке

Смотреть, как течет вода, хорошо со стороны. Оказаться на пути потока — уже не так приятно. Течению надо как-то противостоять. Но если подойти к вопросу с умом, то можно не только устоять на месте, но и обратить энергию воды себе на пользу. Особенно преуспели в этом глубоководные губки, которые используют бессмысленную мощь океанских течений, чтобы наслаждаться жизнью на глубине нескольких километров.

Глубоководная губка корзинка Венеры (Euplectella aspergillum) живет, пока течет вода. Если океан замрет, она начнет чахнуть и вскоре вовсе умрет. Губка извлекает пищу и кислород из набегающего на нее потока. Как она с ним управляется — неясно.

Известно, что у всех губок (не только глубоководной венериной корзинки) есть специальные клетки, которые с помощью жгутиков и воротничков из микроворсинок прокачивают сквозь себя воду и собирают питательные вещества. Но недавно итальянские гидродинамики предположили, что у корзинок Венеры всю работу по преобразованию потока на себя берут их стеклянные скелеты, а не жгутиковые клетки.

С идеей физиков уже успели не согласиться канадские зоологи. Так что вопрос о том, что помогает губке больше, — жесткий системный контроль с помощью твердого скелета или согласованная работа отдельных клеток мягкой ткани — до сих пор дискуссионный. Полноценной гидродинамической модели, которая учитывает оба эффекта, пока нет.

Так или иначе, губка справляется.

Ситуация губки

Большинство губок всю свою жизнь сидят на одном месте. Снимаются с него они очень редко, и их можно понять — за сутки эти создания успевают продвинуться на один-два миллиметра. Известны случаи, когда губки перескакивали с места на место благодаря реагрегации, — для этого им приходилось разбираться на части, релоцироваться и собираться обратно на финише. Иногда к нему, правда, приходило уже несколько губок: какие-то части по пути решили, что настало время начать самостоятельную жизнь. Такой способ передвижения быстрее — за несколько дней мигрирующая губка может сдвинуться на 10–15 миллиметров. Но чтобы так разогнаться, ей приходилось оставлять на старом месте свой старый скелет, и после растить его заново.

Но так почти никто из губок делать не умеет, да и часто так не попрыгаешь. Переезжать подобным образом может только Amphilectus lobata — да и она только в экстренных ситуациях.

А корзинка Венеры перемещаться с места на место не умеет в принципе — ни вместе со скелетом, ни без него.

Эти стеклянные губки живут на дне Тихого и Южного океанов на глубине от сотни метров до пары километров. Здесь темно, холодно, а доступ к еде очень ограничен. Своего рода подводная тундра: суровый климат, небогатая земля, над которой сильно дует (в случае со дном океана — течет). По сравнению с ветрами порывы жидкости не такие сильные — до десятка сантиметров в секунду, но давление создают заметное.

Мелководные губки получают питательные вещества не только из воды, но и от фотосинтезирующих симбионтов, которые селятся на их поверхности. Глубоководные губки этой помощи лишены — света сюда доходит слишком мало, и фотосинтезом тут никто не занимается. Поэтому основным (хотя и не единственным) вариантом для них остается добывать энергию из набегающей воды, повышая эффективность фильтрации. Основная доля рациона глубоководных губок — нефотосинтезирующие бактерии. Их в воде не так много, поэтому важно прокачивать через себя как можно больше воды, не пропуская мимо лишнюю пищу, и при этом не фильтровать лишний раз уже «отработанную» воду.

По мнению итальянских физиков под руководством Джакомо Фалькуччи (Giacomo Falcucci) из Римского университета, главную роль в работе с потоком у венериных корзинок играет их стеклянный скелет. На микроскопическом уровне отличить мягкую ткань от скелета не так просто. В подробностях строение корзинки Венеры описал немецкий зоолог Франц Эйльхард Шульце, который в конце XIX века совершил кругосветное путешествие в составе научной экспедиции «Челленджера». Его рисунки до сих пор можно встретить в научных статьях, посвященных этим губкам.

Минимальные структурные элементы скелета корзинки Венеры — спикулы, шестиконечные микрометровые звездочки из кремнезема, которые изначально по одной кристаллизуются в клетках мягкой ткани, а затем разрастаются до единого скелета, собранного из отдельных нитей в квадратную сетку. Скелет служит опорой для синцития — непрерывной ткани из слившихся друг с другом клеток. Стеклянный остов еще долго стоит на дне океана после смерти губки и разложения ее тканей.

Кроме скелетной сети волокон, синцитий образует две мембраны — наружную и внутреннюю со жгутиковыми камерами. Каждая такая камера — это своеобразный карман, выстланный хоаноцитами — клетками, которые работают водными насосами. Вода к ним поступает по сложному лабиринту водоносных микроканалов, образованном из переплетающихся нитей твердого скелета. В мембранах под эти каналы подстроены отверстия: поры диаметром 20–50 микрометров — для зазоров между отдельными нитями, и большие отверстия диаметром около двух миллиметров — под широкие просветы в квадратной решетке.

Секрет формы

У скелета корзинки Венеры есть два выраженных геометрических мотива. Внутренний слой — однородная пористая сетка с квадратной ячейкой и диагональными связывающими элементами. Это прочная и даже немного гибкая структура. Они неплохо изучены, потому что скелеты хорошо сохраняются и их в распоряжении ученых немало.

Второй мотив — спиральные гребни, которые идут поверх сетки. Они могут быть закручены как по часовой стрелке, так и против, и иногда периодические, а иногда — разупорядоченные.

Скелет помогает губке сохранять механическую устойчивость — не сгибаться и не ломаться под напором воды. Материаловеды проанализировали структуру сеточной части скелета и показали, что из всех возможных квадратных решеток именно такая конфигурация — с двойными диагональными связками — выдерживает самую большую нагрузку, вне зависимости от ее направления. Итальянские гидродинамики предположили, что такая геометрия еще и помогает губке управлять набегающим потоком воды и приспосабливать его под свои нужды — питание, размножение и коммуникацию.

Скорость течения непосредственно у океанского дна может достигать 11 сантиметров в секунду. С учетом вязкости воды и диаметра губки, число Рейнольдса потока, который проходит через губку, доходит до 3 тысяч. Это на три-четыре порядка меньше, чем у разогнавшейся меч-рыбы, примерно на столько же больше, чем у водных микроорганизмов, и близко к плывущей медузе.

Если бы губка была просто бревном без сквозных отверстий, то при такой скорости течения сразу за ней возникала бы турбулентная

. Это хорошо известный эффект, который можно наблюдать в довольно широком диапазоне чисел Рейнольдса — губка живет именно в нем.

Если бы каждая губка в колонии порождала такой турбулентный вихрь, то максимальная скорость потока бы росла, и в нем возникали бы нерегулярные колебания и вертикальные токи. Из-за этого питательные вещества или, например, сперматозоиды, которые в период размножения выбрасываются наружу через оскулюм — верхнее отверстие в цилиндрическом скелете губки, закрытое скелетной решеткой — разносило бы по непредсказуемым траекториям, и до соседней они бы не доходили.

Сетчатая структура стеклянного скелета венериной корзинки и его форма, при условии достаточной проницаемости внешней мембраны, эту проблему решает. Чтобы понять, как именно работает с потоком воды стеклянный скелет венериной корзинки, итальянские физики построили его компьютерную модель. От мягкой ткани в этой модели из-за ее сложности пришлось отказаться. Впрочем, миллиметровых отверстий в мембране достаточно, чтобы не искажать структуру достаточно быстрого течения, а активный транспорт воды по водоносным каналам с помощью хоаноцитов можно при таком подходе рассматривать как вторичный эффект, который включается уже на микромасштабе, отводя от магистральных потоков маленькие струйки.

Рассекая океан

Модель, которую построили итальянцы, демонстрирует, что частично проблему решает даже сетка без спиральных гребней. Если цилиндр сделать проницаемым, заменив сплошную стенку сетчатой, обтекающий его поток значительно изменится. Из него не пропадут полностью ни амплитудные перепады скорости, ни вертикальные потоки, но в целом поток становится более однородным. Из-за этого разброс частиц сильно уменьшается. Причем особенно этот эффект заметен в быстром потоке с большим числом Рейнольдса.

Когда скорость воды становится выше, чем сантиметр в секунду, то течение непосредственно за губкой становится квазидвумерным — сетка гасит его вертикальные завихрения и отводит гидродинамическое давление.

Течение в тени губки становится ламинарным. В результате время, которое питательные бактерии проводят в области затенения, увеличивается. Площадь этого ламинарного пятна — около двух-трех диаметров губки.

Но вместе с этим возникают другие проблемы. На слишком больших скоростях течение проходит губку насквозь. Это не очень хорошо: во-первых, ослабляется вертикальный транспорт — и во внутренней полости губки, и снаружи от нее. Во-вторых, из-за чересчур быстрого течения времени животным не хватает времени на питание, и сложно наладить нормальную коммуникацию. Питательные вещества уносит слишком далеко и слишком быстро.

Как пить дать

Спиральные гребни в наружном слое скелета решают обе эти проблемы — и соответственно, делают эффективнее и питание, и коммуникацию, и размножение.

Принцип действия гребней отчасти напоминает интерцепторы на трубах котельных — спиральные пластины, напоминающие резьбу. Они не дают течению стать двумерным и минимизируют взаимодействие вихрей в потоке. Оснащенная интерцепторами труба намного меньше раскачивается на ветру.

В отличие от дымовой трубы, губка — труба проницаемая. Поэтому спиральные гребни не только влияют на обтекающий поток, но и меняют течение внутри полости губки. Оно в ней завинчивается, благодаря чему увеличивается время, которое есть у губки на трапезу: вода дольше остается внутри полости.

Спиральные гребни, с одной стороны, снижают силу, с которой поток давит на губку, — за счет того, что подавляют образование вихрей в следе. А с другой — наоборот, увеличивают это давление из-за того, что жидкость дольше находится во внутренней полости губки (и соответственно, замедляет набегающий поток). Тем не менее, губка остается в выигрыше: и сопротивление снижается, и все питательные бактерии не разносит по сторонам, и времени на кормление (или выброс сперматозоидов) остается достаточно.

При этом, если отказаться от пористой или спиральной части скелета, то такого эффекта не добиться: будут возникать и лишние вихри в области за губкой, да и жидкость во внутренней полости особенно задерживаться перестанет.

Губка, которая стоит в авангарде колонии, в итоге остается в некотором проигрыше: она принимает первый удар потока на себя и ослабляет его для всех остальных. Хотя и обедает первой, да и питательных веществ из-за этого получает больше, чем соседи. Но по той же причине ей приходится отсеивать больше частичек глины и детрита.

Как пить

Спустя полгода после публикации итальянских физиков в Nature, зоологи под руководством Салли Лейз (Sally P. Leys) из Университета Альберты прислали на нее отзыв. Они считают, что модель группы Фалькуччи к реальным губкам имеет мало отношения.

У зоологов нет никаких вопросов к физике, но фильтрование воды стеклянными губками, по их мнению, нельзя рассматривать без учета работы жгутиковых клеток, которые засасывают воду в водоносные каналы.

Гидродинамическая схема этого транспорта уже описана. И у большинства губок, которые живут в медленных потоках на мелководье, именно она — основная. Согласованные движения жгутиков и воротничков из микроворсинок на поверхности хоаноцитных камер создают нужное чередование областей повышенного и пониженного давления, которое прокачивает воду по микроканалам в теле животного, — губка пьет тысячей ртов.

Если нарушить работу этих клеток в стеклянных губках с помощью электрических импульсов, то движение воды через ткань прекращается. Проверяли это, правда, на другом виде губок с другой формой скелета. Кроме того, по мнению канадских биологов, лабиринт водоносных каналов — слишком серьезный барьер для водного потока, чтобы скелет начал работать фильтром — вода до него через внешнюю мембрану просто не дойдет.

Кроме того, транспорт воды по водоносным каналам с помощью хоаноцитов создает внутри губки характерное однонаправленное течение. Вода вытягивается из каналов в нижней части губки, просасывается через жгутиковые камеры и уходит вверх, выходя наружу через оскулюм. То, что так можно сделать при помощи пассивной системы, у зоологов тоже вызвало сомнения.

Компромисс стеклянной корзинки

Но претензиям зоологов есть что противопоставить — и сформулировать компромиссный ответ. Глубоководная губка на темном дне океана живет не такой же жизнью, как ее мелководные родственники в куда более мягких условиях. И полностью переносить на корзинку Венеры правила мелкой воды не во всем верно.

Многие работы подтверждают, что при тех числах Рейнольдса, которые характерны для придонных течений, скорости потока хватит, чтобы преодолеть экран мягкой ткани с порами микронного размера. А жидкость из внутренней полости прекрасно выходит через оскулюм и в модели итальянцев.

Построить гидродинамическую модель, которая включает в себя оба механизма — и фильтрацию скелетом, и засасывание воды хоаноцитами — ученым пока не удалось. Не исключено, что венерина корзинка использует оба.

В медленной воде и в союзе с фотосинтезирующими симбионтами, губке важнее активное фильтрование с помощью хоаноцитов. В быстрых течениях, бедных едой, их функция становится вторичной. Сложно пить воду, которая бьет в тебя мощной струей. Поэтому к работе жгутиковые клетки, скорее всего, приступают уже после фазы пассивного фильтрования.

В теплой и медленной воде — индивидуальное клеточное фильтрование оказывается эффективнее. В холодных, темных и быстрых потоках около дна — приходится прибегать к жесткой централизованной системе, которая разделяет и направляет потоки в нужные места.

Александр Дубов