Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лысуха плавание

Водное передвижение - это биологически продвинутое движение в жидкой среде. Простейшие двигательные системы состоят из ресничек и жгутиков . Плавание несколько раз эволюционировало у ряда организмов, включая членистоногих , рыб , моллюсков , рептилий , птиц и млекопитающих .

Эволюция плавания [ править ]

Плавание несколько раз развивалось по разным линиям. Предполагаемые окаменелости медуз встречаются в эдиакарских островах , но первые свободно плавающие животные появляются в раннем и среднем кембрии . Они в основном связаны с членистоногими и включают аномалокаридид , которые плавают с помощью боковых лопастей, как современные каракатицы . Головоногие моллюски пополнили ряды нектонов в конце кембрия [1], а хордовые, вероятно, поплыли из раннего кембрия. [2] Многие наземные животные сохраняют некоторую способность плавать, однако некоторые из них вернулись в воду и развили способность к водному перемещению. НаиболееОднако обезьяны (включая людей) утратили инстинкт плавания . [3]

В 2013 году Педро Ренато Бендер, научный сотрудник Института эволюции человека Университета Витватерсранда , предложил теорию, объясняющую потерю этого инстинкта. Названная гипотезой последнего общего предка Сачи (в честь Сачи , бразильского фольклорного персонажа, который не может преодолевать водные преграды), она утверждает, что потеря инстинктивной способности к плаванию у обезьян лучше всего объясняется как следствие ограничений, связанных с адаптацией к древесной жизни у обезьян. последний общий предок обезьян. [4] Бендер выдвинул гипотезу о том, что древние обезьяны все чаще избегали глубоководных водоемов, когда риск контакта с водой был явно выше, чем преимущества пересечения их. [4]Уменьшение контакта с водоемами могло привести к исчезновению инстинкта собачьего весла . [4]

Микроорганизмы[ редактировать ]

Бактериальный [ править ]

Основная статья: Микроорганизмы

Инфузории [ править ]

Инфузории используют маленькие жгутики, называемые ресничками, для передвижения по воде. Одна инфузория обычно имеет от сотен до тысяч ресничек, которые плотно упакованы в массивы. Во время движения отдельная ресничка деформируется, используя рабочий ход с высоким коэффициентом трения, за которым следует ход восстановления с низким коэффициентом трения. Поскольку на индивидуальном организме имеется множество ресничек, упакованных вместе, они демонстрируют коллективное поведение в метахрональном ритме . Это означает, что деформация одной реснички находится в фазе с деформацией ее соседа, вызывая волны деформации, которые распространяются по поверхности организма. Эти распространяющиеся волны ресничек позволяют организму скоординированно использовать реснички для движения. Типичным примером реснитчатого микроорганизма являетсяParamecium , одноклеточное простейшее с ресничками, покрытое тысячами ресничек. Биение ресничек позволяет парамециуму перемещаться по воде со скоростью 500 микрометров в секунду. [5]

Жгутик о наличии грамотрицательных бактерий вращаются с помощью молекулярного двигателя на его базе
Сперматозоиды лосося для искусственного размножения

Жгутиковые [ править ]

У некоторых организмов, таких как бактерии и сперма животных, есть жгутики, которые научились перемещаться в жидкой среде. Модель вращающегося двигателя показывает, что бактерии используют протоны электрохимического градиента для перемещения своих жгутиков. Вращающий момент в жгутиках бактерий создается частицами, которые проводят протоны вокруг основания жгутика. Направление вращения жгутиков у бактерий определяется заполнением протонных каналов по периметру мотора жгутика. [6]

Движение сперматозоидов называется подвижностью сперматозоидов . Середина сперматозоида млекопитающих содержит митохондрии, которые обеспечивают движение жгутика сперматозоидов. Двигатель вокруг основания создает крутящий момент, как у бактерий, движущихся в водной среде. [7]

Псевдоподия [ править ]

Движение с помощью псевдоножки достигается за счет увеличения давления в одной точке клеточной мембраны . Это повышение давления является результатом полимеризации актина между корой и мембраной. По мере увеличения давления клеточная мембрана выталкивается наружу, образуя псевдопод. Когда ложноножка движется наружу, остальная часть тела тянется вперед за счет коркового напряжения. В результате клетки перемещаются в жидкой среде. Кроме того, направление движения определяется хемотаксисом . Когда хемоаттракция происходит в определенной области клеточной мембраны , полимеризация актина может начаться и переместить клетку в этом направлении.[8] Прекрасным примером организма, который использует псевдоножки, является Naegleria fowleri . [9]

Простая анимация

Беспозвоночные [ править ]

Весло для креветок со специальными плавательными ножками ( плеоподы )
Дафния плавает, хлопая усиками

У лучников , медуз и их сородичей основной способ плавания - сгибание чашеобразного тела. Все медузы плавают свободно, хотя многие из них проводят большую часть своего времени в пассивном плавании. Пассивное плавание сродни скольжению; организм плавает, используя токи, где это возможно, и не прикладывает никакой энергии для управления своим положением или движением. Активное плавание, напротив, требует затрат энергии на путешествие в желаемое место.

В билатерии существует множество способов плавания. В стрелках червей ( Chaetognatha ) волнистые их ребристое тело, а не в отличии от рыбы. Нематоды плавают волнообразными движениями тела без плавников. Некоторые группы членистоногих могут плавать, в том числе многие ракообразные . Большинство ракообразных, например креветки , обычно плавают на специальных плавательных ногах ( плеоподах ). Плавательные крабы плавают на модифицированных ходильных ногах ( переоподах ). Дафния , ракообразное, вместо этого плавает, ударяя усиками.

Есть также ряд форм плавающих моллюсков . Многие свободно плавающие морские слизни , такие как морские ангелы , имеют структуры, напоминающие плавники. Некоторые моллюски с раковиной, такие как гребешки, могут ненадолго плавать, хлопая обеими раковинами, открывая и закрывая их. Наиболее развитыми для плавания моллюсками являются головоногие моллюски .

Среди Deuterostomia есть и несколько пловцов. Перья звезды могут плавать, покачивая своими многочисленными руками. Beautiful Swim Feather Star en MSN Video . Сальпы движутся, прокачивая воду через свои студенистые тела. Наиболее развитые для плавания deuterostomes встречаются у позвоночных , особенно у рыб .

Реактивный двигатель[ редактировать ]

Осьминоги плывут головой вперед, заведя руки назад
Медузы пульсируют своим колоколом для своего рода реактивного движения
Морские гребешки плавают, хлопая обеими раковинами, открывая и закрывая
Основная статья: Реактивный двигатель

Реактивный двигатель- это метод передвижения в воде, при котором животные заполняют мышечную полость и выбрасывают воду, чтобы толкнуть их в направлении, противоположном разбрызгиванию воды. Большинство организмов оснащено одним из двух вариантов реактивного движения; они могут набирать воду сзади и выталкивать ее сзади, например медузы, или вытягивать воду спереди и выталкивать ее сзади, например, сальпы. Заполнение полости вызывает увеличение массы и сопротивления животного. Из-за протяженности сужающейся полости скорость животного колеблется при движении по воде, ускоряясь при выталкивании воды и замедляясь при всасывании воды. Даже несмотря на то, что этими колебаниями сопротивления и массы можно пренебречь, если частота циклов реактивного движения достаточно высока, реактивное движение является относительно неэффективным методом передвижения в воде.

Все головоногие моллюски могут двигаться с помощью реактивного движения , но это очень энергоемкий способ передвижения по сравнению с хвостовым движением, используемым рыбами. [10] Относительная эффективность реактивного движения снижается по мере увеличения размера животного. Со времен палеозоя, когда конкуренция с рыбой создавала среду, в которой эффективное движение было решающим для выживания, реактивное движение отошло на второй план, а плавники и щупальца использовались для поддержания постоянной скорости. [11] Старт-стопное движение, обеспечиваемое реактивными двигателями, тем не менее, по-прежнему полезно для создания высокоскоростных всплесков - не в последнюю очередь при поимке добычи или избегании хищников. [11] Действительно, это делает головоногих моллюсков самыми быстрыми морскими беспозвоночными [12] :Предисловие, и они могут ускорить большинство рыб. [13] Кислородная вода поступает в полость мантии к жабрам, и в результате мышечного сокращения этой полости отработанная вода выбрасывается через гипоном , образованный складкой в ​​мантии. Движение головоногих моллюсков обычно назад, поскольку вода вытесняется вперед через гипоном, но направление можно в некоторой степени контролировать, направляя его в разные стороны. [14] Большинство головоногих моллюсков плавают (т.е. обладают нейтральной плавучестью ), поэтому им не нужно плавать, чтобы оставаться на плаву. [10] Кальмарплавают медленнее, чем рыбы, но используют больше энергии для увеличения скорости. Потеря эффективности связана с количеством воды, которое кальмар может ускорить из своей мантии. [15]

Медузы используют одностороннюю конструкцию водяной полости, которая генерирует фазу непрерывных циклов реактивного движения, за которой следует фаза покоя. Эффективность Фруда составляет около 0,09, что указывает на очень дорогостоящий метод передвижения. Метаболические затраты на транспортировку у медузы высоки по сравнению с рыбой такой же массы.

Другие реактивные животные имеют аналогичные проблемы с эффективностью. Морские гребешки , похожие на медузы, плавают, быстро открывая и закрывая свои раковины, которые втягивают воду и выбрасывают ее со всех сторон. Это движение используется как средство спасения от хищников, таких как морские звезды . После этого корпус действует как судно на подводных крыльях.чтобы противодействовать склонности морского гребешка тонуть. Эффективность Фруда для этого типа движения низкая, около 0,3, поэтому он используется в качестве механизма аварийного спасения от хищников. Однако объем работы, выполняемой гребешком, снижается за счет эластичного шарнира, соединяющего две оболочки двустворчатого моллюска. Кальмары плавают, втягивая воду в полость своей мантии и выталкивая ее через сифон. Эффективность их водометной двигательной установки по Фруду составляет около 0,29, что намного ниже, чем у рыбы той же массы.

Большая часть работы, выполняемой мышцами морского гребешка по закрытию его раковины, сохраняется в виде упругой энергии в ткани абдуктина, которая действует как пружина, открывающая раковину. Эластичность приводит к тому, что работа, выполняемая против воды, становится низкой из-за больших отверстий, в которые вода должна входить, и маленьких отверстий, которые вода должна оставлять. Инерционная работа водометного гребешка также невелика. Из-за низкой инерционной работы экономия энергии, создаваемая эластичной тканью, настолько мала, что ею можно пренебречь. Медузы также могут использовать эластичную мезоглею для увеличения своего колокола. Их мантия содержит слой мышц, зажатый между эластичными волокнами. Мышечные волокна проходят вокруг раструба по окружности, в то время как эластичные волокна проходят через мышцу и по бокам раструба, чтобы предотвратить удлинение. Сделав разовое сокращение,колокол пассивно вибрирует на резонансной частоте, наполняя колокол. Однако, в отличие от гребешков, инерционная работа похожа на гидродинамическую из-за того, как медузы выталкивают воду через большое отверстие с низкой скоростью. Из-за этого отрицательное давление, создаваемое вибрирующей полостью, ниже положительного давления струи, а это означает, что инерционная работа мантии мала. Таким образом, водометная установка показана как неэффективный способ плавания.реактивное движение показано как неэффективный метод плавания.реактивное движение показано как неэффективный метод плавания.[15]

Рыба [ править ]

Рыба в открытой воде , такая как атлантический синий тунец , обычно обтекаемая для прямой скорости, с глубоко раздвоенным хвостом и гладким телом, имеющим форму веретена, сужающегося с обоих концов.
У многих рифовых рыб, таких как королева-ангелочница , тело сплющено, как блин, с грудными и тазовыми плавниками, которые действуют вместе с уплощенным телом, обеспечивая максимальную маневренность.
См. Также: Передвижение рыб.

Многие рыбы плавают в воде, создавая волнообразные движения своим телом или качая плавниками . Волнистость создает компоненты прямой тяги, дополненной обратной силой, боковыми силами, которые являются потраченными впустую порциями энергии, и нормальной силой, которая находится между прямой и боковой силой. Разные рыбы плавают волнообразно разными частями своего тела. Рыбы в форме угрей в ритмичной последовательности волнообразно движутся всем телом. Обтекаемые рыбы, такие как лосось, имеют волнистые хвостовые части тела. Некоторые рыбы, такие как акулы, используют жесткие крепкие плавники, чтобы создавать динамический подъем и двигаться. Рыбы обычно используют более одной формы движения, хотя они демонстрируют один доминирующий способ плавания [16] Изменения походки наблюдались даже у молоди рифовых рыб различного размера. В зависимости от своих потребностей рыба может быстро чередовать синхронные удары плавниками и чередовать их. [17]

Согласно Книге рекордов Гиннеса 2009 года , Hippocampus zosterae (карликовый морской конек) является самой медленной рыбой с максимальной скоростью около 5 футов (150 см) в час. [18] Они очень плохо плавают, быстро взмахивают спинным плавником и используют грудные плавники (расположенные за глазами) для управления. У морских коньков нет хвостового плавника .

Движение тело-хвостовой плавник (BCF) [ править ]

  • Угловидные: Угловатые пловцы обычно медленно плавают. Они волнообразно движутся по большей части своего тела и используют голову как точку опоры для груза, который они перемещают. В любой момент во время их колебания амплитуда их тела составляет 0,5–1,0 длины волны. Амплитуда движения тела позволяет им плыть назад. Угловидное передвижение обычно наблюдается у рыб с длинным тонким телом, таких как угри , миноги , веслообразные и некоторые виды сомов .
  • Subcarangiform, Carangiform, Thunniform: Эти пловцы волнообразно движутся в задней половине своего тела и намного быстрее, чем пловцы с англообразной формой. В любой момент, когда они плывут, длина волны <1 может быть видна в волнистой структуре тела. Некоторые пловцы Carangiform включают акул-нянек, бамбуковых акул и рифовых акул. Пловцы Thunniform очень быстрые, и некоторые распространенные пловцы Thunniform включают тунца, белых акул, лосося, джеков и акул мако [ цитата необходима ] . Thunniform пловцов только волнистым их высокое соотношение сторон хвостовой плавник, таким образом , они, как правило , очень жесткой , чтобы толкать больше воды из пути.
  • Остракиформные: остракиформные пловцы колеблют свою каудальную область, что делает их относительно медленными пловцами. Самшит, торпедные скаты и момиры используют остракиформное передвижение. Корова-рыба использует осцилографическое движение, чтобы парить в толще воды. [19]

Срединный парный плавник (MPF) движение [ править ]

  • Tetraodoniform, Balistiform, Diodontiform: эти пловцы раскачивают свои срединные плавники. Они, как правило, медленно плавают, и некоторые известные примеры включают океаническую солнечную рыбу (у которой чрезвычайно модифицированы анальный и спинной плавники), рыба-фугу и спинорог.
  • Rajiform, Amiiform, Gymnotiform: этот режим движения достигается за счет волнистости грудных и срединных плавников. Во время их волнистого рисунка в их плавниках можно увидеть длину волны> 1. Они, как правило, плавают от медленных до умеренных, а некоторые примеры включают скатов, луговых плавников и ножевых рыб. Черный призрак нож рыба является Gymnotiform пловцом , который имеет очень длинную вентральную ленту плавника. Тяга создается за счет прохождения волн по ленточному ребру, при этом корпус остается жестким. Это также позволяет рыбе-призраку плавать в обратном направлении.
  • Лабриформ: пловцы-лабриформы также плавают медленно. Они раскачивают грудные плавники, чтобы создать толчок. Колеблющиеся ребра создают тягу, когда стартовый вихрь выходит из задней кромки ребра. Когда фольга отходит от начального вихря, влияние этого вихря уменьшается, а связанная циркуляция остается, создавая подъемную силу. Лабриформное плавание можно рассматривать как непрерывно начинающееся и прекращающееся. Губаны и серфингисты - обычные пловцы-лабриформы. [19]

Подводные крылья [ править ]

Леопард акулы углы его грудные плавники , чтобы они ведут себя , как на подводных крыльях для управления животного шаг

Подводные крылья или ласты используются для отталкивания от воды для создания нормальной силы, обеспечивающей толчок, продвигая животное по воде. Морские черепахи и пингвины бьют свои парные суда на подводных крыльях, чтобы создать подъемную силу. Некоторые парные плавники, такие как грудные плавники леопардовых акул, можно наклонять под разным углом, чтобы животное могло подниматься, опускаться или поддерживать свой уровень в толще воды. Уменьшение площади поверхности ребер помогает минимизировать сопротивление и, следовательно, повысить эффективность. Независимо от размера животного при любой конкретной скорости максимально возможная подъемная сила пропорциональна (площадь крыла) x (скорость) 2.. У дельфинов и китов большие горизонтальные хвостовые крылья на подводных крыльях, а у многих рыб и акул - вертикальные хвостовые крылья. Морские свиньи (наблюдаемые у китообразных, пингвинов и ластоногих) могут экономить энергию, если они двигаются быстро. Поскольку сопротивление увеличивается с увеличением скорости, работа, необходимая для проплывания на единицу расстояния, больше на более высоких скоростях, но работа, необходимая для прыжка на единицу расстояния, не зависит от скорости. Тюлени продвигаются по воде хвостовым хвостом, а морские львы создают толчок исключительно своими грудными плавниками. [16]

Плавание с двигателем [ править ]

Самые медленные рыбы - это морские коньки , часто встречающиеся на рифах.

Как и при движении через любую жидкость, трение возникает, когда молекулы жидкости сталкиваются с организмом. Столкновение вызывает сопротивление движущейся рыбы, поэтому многие рыбы имеют обтекаемую форму. Обтекаемые формы работают, чтобы уменьшить сопротивление, ориентируя удлиненные объекты параллельно силе сопротивления, таким образом позволяя течению проходить и сужаться к концу рыбы. Эта обтекаемая форма позволяет более эффективно использовать энергию передвижения. Некоторые рыбы плоской формы могут использовать сопротивление давлению, имея плоскую нижнюю поверхность и изогнутую верхнюю поверхность. Создаваемое сопротивление давления позволяет поднимать рыбу вверх. [16]

Придатки водных организмов приводят их в движение двумя основными биомеханически экстремальными механизмами. Некоторые используют плавание с подъемной силой, которое можно сравнить с полетом, когда придатки взмахивают, как крылья, и уменьшают сопротивление поверхности придатка. Другие используют плавание с тягой, которое можно сравнить с греблей на лодке на веслах с движением в горизонтальной плоскости или греблей с движением в парасагиттальной плоскости.

Пловцы-дрэг-пловцы используют циклические движения, когда они толкают воду назад в силовом гребке и возвращают конечность вперед в обратном или восстановительном гребке. Когда они толкают воду прямо назад, это перемещает их тело вперед, но когда они возвращают конечности в исходное положение, они толкают воду вперед, что, таким образом, в некоторой степени притягивает их назад и, таким образом, противодействует направлению движения тела. Эта противодействующая сила называется сопротивлением.. Сопротивление обратного хода заставляет пловцов-дрэг-пловцов использовать разные стратегии, чем у пловцов-подъемников. Уменьшение сопротивления при обратном ходе имеет важное значение для оптимизации эффективности. Например, утки гребут по воде, раздвигая паутины своих ног, когда они отводят воду назад, а затем, возвращая ноги вперед, они стягивают свои паутины вместе, чтобы уменьшить последующее притяжение воды вперед. Ноги водяных жуков имеют маленькие волоски, которые расходятся, чтобы догнать и отводить воду обратно при силовом ударе, но лежат ровно, когда придаток движется вперед при обратном ударе. Кроме того, ноги водяного жука имеют более широкую сторону и удерживаются перпендикулярно движению при толчке назад, но затем нога поворачивается, когда конечность должна возвращаться вперед, так что более тонкая сторона будет улавливать меньше воды. [20]

Пловцы, занимающиеся перетаскиванием, снижают эффективность плавания из-за сопротивления, которое влияет на их оптимальную скорость. Чем меньше сопротивления будет испытывать рыба, тем больше она сможет поддерживать более высокие скорости. Морфология рыбы может быть разработана таким образом, чтобы уменьшить сопротивление, например обтекаемость тела. Стоимость транспортировки намного выше для пловца-дрэг-пловца, и при отклонении от оптимальной скорости он гораздо сильнее напрягается, чем пловец-лифт. Существуют естественные процессы для оптимизации использования энергии, и считается, что корректировка скорости метаболизма может частично компенсировать механические недостатки. [21]

У полуводных животных по сравнению с полностью водными животными наблюдается обострение сопротивления сопротивлению. Конструкция, позволяющая им функционировать вне воды, ограничивает эффективность, достижимую в воде. При плавании в воде на поверхности они подвергаются сопротивлению волнами и связаны с более высокими затратами, чем плавание под водой. Плавание под землей подвергает их сопротивлению из-за обратных ударов и давления, но в первую очередь трения. Сопротивление трения обусловлено вязкостью и морфологическими характеристиками жидкости. Сопротивление давления возникает из-за разницы в потоке воды вокруг тела, а также зависит от морфологии тела. Полуводные организмы сталкиваются с повышенными силами сопротивления как в воде, так и вне ее, поскольку они не приспособлены ни для одной среды обитания. Например, морфология выдр и бобров должна соответствовать потребностям обеих сред.Их мех снижает обтекаемость и создает дополнительное сопротивление. Утконос может быть хорошим примером промежуточного звена между пловцами с перетаскиванием и подъемом, поскольку было показано, что у него есть гребной механизм, который подобен грудным колебаниям на основе подъема. Конечности полуводных организмов зарезервированы для использования на суше, и использование их в воде не только увеличивает стоимость передвижения, но и ограничивает их режимами перетаскивания.[22] Хотя они менее эффективны, пловцы-дрэг-пловцы способны создавать большую тягу на низких скоростях, чем пловцы-лифтеры. Также считается, что они обладают большей маневренностью из-за большой тяги. [23]

Амфибии [ править ]

Обыкновенная жаба ( Bufo bufo ) плавание

У большинства амфибий есть личиночное состояние, унаследовавшее угловатое движение и связанный с ним хвост, от предков рыб. Соответствующие взрослые формы четвероногих, даже в подклассе Urodeles , сохраняющем хвост , иногда являются водными лишь в незначительной степени (как в случае рода Salamandra , хвост которого потерял пригодность для движения в воде ), но большинство Urodeles , начиная с тритоны гигантской саламандры Megalobatrachus сохраняют сжатый с боков хвост для жизни, которая в значительной степени является водной, которая может двигаться в форме караге. [24]

Из бесхвостых земноводных ( лягушки и жабы подкласса Anura ) большинство во взрослой жизни являются водными организмами в незначительной степени, но в том значительном меньшинстве, которые в основном водные, мы впервые сталкиваемся с проблемой адаптации бесхвостых животных. Конструкция тетрапода для водного движения. Режим, который они используют, не имеет отношения к режиму, используемому рыбами. Благодаря гибким задним ногам и перепончатым ступням они выполняют движения, близкие к движениям ног человека «брассом», но гораздо эффективнее, потому что ноги лучше обтекаемы. [24]

Рептилии [ править ]

Нильский крокодил ( Crocodylus niloticus ) плавание

С точки зрения водной тяги, происхождение современных представителей класса Reptilia от архаических хвостатых амфибий наиболее очевидно в случае отряда Crocodilia ( крокодилы и аллигаторы ), которые используют свои глубокие, сжатые с боков хвосты в форме панциря, по существу, в форме панциря. режим движения (см. Движение рыбы # Carangiform ). [24]

Наземные змеи , несмотря на их «плохую» гидромеханическую форму с примерно круглым поперечным сечением и постепенным сужением кзади, при необходимости довольно легко плавают с помощью угловатой тяги (см. Передвижение рыб # Угловидная ). [24]

Cheloniidae (настоящие черепахи ) нашли прекрасное решение проблемы плавания четвероногих, превратив свои передние конечности в ласты формы крыльев с большим удлинением, с помощью которых они имитируют двигательный режим птицы более точно, чем сами орлиные лучи. .

Незрелая гавайская зеленая морская черепаха на мелководье
Macroplata

Передвижение плавников и ласт [ править ]

Основная статья: Передвижение плавников и ласт
Сравнительная анатомия скелета типичного тюленя-отарида и типичного тюленя-отарида

Водные рептилии, такие как морские черепахи и вымершие виды, такие как плиозавроиды, в основном используют свои грудные плавники, чтобы перемещаться по воде, и свои тазовые плавники для маневрирования. Во время плавания они двигают грудными ластами дорсо-вентральное движение., вызывая поступательное движение. Во время плавания они вращают передние ласты, чтобы уменьшить сопротивление через толщу воды и повысить эффективность. Недавно вылупившиеся морские черепахи демонстрируют несколько поведенческих навыков, которые помогают ориентироваться в океане, а также определять переход от песка к воде. Если они вращаются в направлении тангажа, рыскания или крена, птенцы способны противодействовать силам, действующим на них, корректируясь либо своими грудными, либо тазовыми ластами и перенаправляя себя в открытый океан.

У млекопитающих отариды ( морские котики ) плавают в основном своими передними ластами, используя задние ласты для управления, а фокиды ( настоящие тюлени ) перемещают задние ласты в стороны, толкая животное через воду.

Побег реакции [ править ]

Анимированное представление омара

Некоторые членистоногие, такие как омары и креветки , могут быстро двигаться назад, взмахивая хвостом, что известно как омар или каридоидная реакция бегства .

Разновидности рыб, например костистые, также используют быстрый старт, чтобы убежать от хищников. Быстрый старт характеризуется сокращением мускулов на одной стороне рыбы, изгибающей рыбу в С-образную форму. После этого на противоположной стороне происходит сокращение мышц, позволяя рыбе войти в состояние устойчивого плавания с волнами, движущимися вдоль тела. Сила изгибающего движения исходит от быстро сокращающихся мышечных волокон, расположенных в центральной части рыбы. Сигнал на выполнение этого сокращения исходит от набора клеток Маутнера, которые одновременно посылают сигнал мышцам на одной стороне рыбы. [25] Клетки Маутнера активируются, когда что-то напугает рыбу, и могут быть активированы визуальными [26] или звуковыми раздражителями.

Быстрый старт делится на три этапа. Первый этап, называемый подготовительным ходом, характеризуется начальным изгибом до С-образной формы с небольшой задержкой, вызванной гидродинамическим сопротивлением. Вторая стадия, толчок, включает в себя быстрое изгибание тела в другую сторону, что может происходить несколько раз. Третий этап, фаза покоя, заставляет рыбу возвращаться к нормальному устойчивому плаванию, и волнообразные движения тела прекращаются. Большие мышцы, расположенные ближе к центральной части рыбы, сильнее и производят больше силы, чем мышцы хвоста. Эта асимметрия в составе мышц вызывает волнообразные движения тела, которые возникают на стадии 3. Как было показано, после завершения быстрого старта положение рыбы имеет определенный уровень непредсказуемости, что помогает рыбе выжить против хищников. [26]

Скорость, с которой тело может изгибаться, ограничена сопротивлением, содержащимся в инерции каждой части тела. Однако эта инерция помогает рыбе создавать движение в результате импульса, создаваемого против воды. Поступательное движение, создаваемое C-стартом, и в целом устойчивое плавание, является результатом отталкивания тела рыбы от воды. Волны волн создают обратный импульс против воды, обеспечивая прямую тягу, необходимую для продвижения рыбы вперед. [27]

Эффективность [ править ]

См. Также: Число Фруда

Эффективность силовой установки Фруда определяется как отношение выходной мощности к входной мощности:

nf = 2 U 1 / ( U 1 + U 2 )

где U1 = скорость набегающего потока и U2 = скорость струи. Хороший коэффициент полезного действия для движителя типа "Каранджи" составляет от 50 до 80%. [16]

Сведение к минимуму перетаскивания [ править ]

Перепады давления возникают за пределами пограничного слоя плавающих организмов из-за нарушенного обтекания тела. Разница между поверхностями корпуса вверх и вниз по потоку заключается в сопротивлении давления , которое создает на объект силу вниз по потоку. С другой стороны, сопротивление трению является результатом вязкости жидкости в пограничном слое . Более высокая турбулентность вызывает большее сопротивление трения. [15]

Число Рейнольдса (Re) является мерой соотношения между инерционными и вязкими силами в потоке ((длина животного x скорость животного) / кинематическая вязкость жидкости). Турбулентный поток может быть обнаружен при более высоких значениях Re, где пограничный слой отделяется и создает след, а ламинарный поток может быть обнаружен при более низких значениях Re, когда отрыв пограничного слоя задерживается, что снижает потерю следовой и кинетической энергии для противодействия движению воды. [28]

Форма тела плавающего организма влияет на результирующее сопротивление. Длинные и тонкие корпуса уменьшают сопротивление давлению за счет обтекаемости, а короткие круглые корпуса уменьшают сопротивление трения; следовательно, оптимальная форма организма зависит от его ниши. Плавательные организмы веретенообразной формы, вероятно, испытают наибольшее снижение как давления, так и сопротивления трения. [28]

Форма крыльев также влияет на величину сопротивления, испытываемого организмом, так как при различных методах гребка восстановление положения перед гребком приводит к накоплению сопротивления.

Высокоскоростная вентиляция барана создает ламинарный поток воды от жабр вдоль тела организма.

Выделение слизи на поверхности тела или добавление длинноцепочечных полимеров к градиенту скорости может уменьшить сопротивление трения, испытываемое организмом.

Плавучесть [ править ]

Многие водные / морские организмы развили органы, компенсирующие их вес и контролирующие плавучесть в воде. Эти структуры делают их тела по плотности очень близкими к плотности окружающей воды. Некоторые гидрозои, такие как сифонофоры, имеют газонаполненные поплавки; Наутилус, Сепия и Спирула ( головоногие моллюски ) имеют камеры с газом внутри раковин; и большинство костистых рыб и многие рыбы- фонарики (Myctophidae) оснащены плавательными пузырями . Многие водные и морские организмы также могут состоять из материалов с низкой плотностью. Глубоководные костистые кости, у которых нет плавательного пузыря, содержат мало липидов и белков, глубоко окостеневшие кости и водянистые ткани, которые поддерживают их плавучесть. НемногоПечень акул состоит из липидов низкой плотности, таких как углеводородный сквален или сложные эфиры воска (также встречаются у Myctophidae без плавательных пузырей), которые обеспечивают плавучесть. [16]

Плавающие животные, которые плотнее воды, должны создавать подъемную силу или адаптироваться к бентическому образу жизни. Движение рыбы для создания гидродинамической подъемной силы необходимо для предотвращения погружения. Часто их тела действуют как подводные крылья , что более эффективно для рыб с плоским телом. При небольшом угле наклона подъемная сила у плоской рыбы больше, чем у рыбы с узким телом. Рыбы с узким телом используют свои плавники как подводные крылья, а их тела остаются горизонтальными. У акул гетероцеркальная форма хвоста направляет воду вниз, создавая противодействующую восходящую силу, толкая акулу вперед. Создаваемый подъем поддерживается грудными плавниками и положением тела под углом вверх. Предполагается, что тунцыв первую очередь используют грудные плавники для подъема. [16]

Поддержание плавучести метаболически дорого. Выращивание и поддержание органа плавучести, корректировка состава биологического состава и физическое напряжение, чтобы оставаться в движении, требуют большого количества энергии. Предполагается, что подъемная сила может создаваться физически с меньшими затратами энергии путем плавания вверх и скольжения вниз в режиме «подъем и скольжение», а не постоянное плавание на плоскости. [16]

Температура [ править ]

Температура также может сильно повлиять на способность водных организмов перемещаться в воде. Это связано с тем, что температура влияет не только на свойства воды, но и на организмы в воде, поскольку у большинства из них есть идеальный диапазон, соответствующий их телу и метаболическим потребностям.

Q10 (температурный коэффициент) , коэффициент, на который скорость увеличивается при повышении температуры на 10 ° C, используется для измерения зависимости производительности организмов от температуры. У большинства из них скорость увеличивается по мере того, как вода становится теплее, но у некоторых есть ограничения на это, а другие находят способы изменить такие эффекты, например, путем эндотермии или более раннего набора более быстрых мышц. [29]

Например, было обнаружено , что Crocodylus porosus , или эстуарные крокодилы, увеличивают скорость плавания с 15 ° C до 23 ° C, а затем имеют максимальную скорость плавания с 23 ° C до 33 ° C. Однако производительность начала снижаться, когда температура поднялась выше этой точки, показывая предел диапазона температур, при котором этот вид мог идеально работать. [30]

Погружение [ править ]

Чем больше часть тела животного погружается в воду во время плавания, тем меньше энергии оно использует. Плавание на поверхности требует в два-три раза больше энергии, чем при полном погружении. Это происходит из-за носовой волны, которая формируется спереди, когда животное толкает поверхность воды во время плавания, создавая дополнительное сопротивление. [31]

Вторичная эволюция [ править ]

Антарктический пингвин перепрыгивает через воду
Плавательная собака

В то время как четвероногие потеряли многие из своих естественных приспособлений к плаванию, когда они эволюционировали на сушу, многие из них заново развили способность плавать или действительно вернулись к полностью водному образу жизни.

Преимущественно или исключительно водные животные неоднократно эволюционировали из наземных четвероногих: примеры включают земноводных, таких как тритоны , рептилии, такие как крокодилы , морские черепахи , ихтиозавры , плезиозавры и мозазавры , морских млекопитающих, таких как киты , тюлени и выдры , и птиц, таких как пингвины . Многие виды змей также водные и всю жизнь живут в воде. Среди беспозвоночных существует ряд насекомых.виды имеют приспособления к водной жизни и передвижения. Примеры водных насекомых включают личинок стрекоз , водных лодочников и ныряющих жуков . Есть также водные пауки , хотя они, как правило, предпочитают другие способы передвижения под водой, чем собственно плавание.

Несмотря на то, что в первую очередь наземные четвероногие потеряли многие из своих приспособлений к плаванию, способность плавать сохранилась или восстановилась у многих из них. Возможно, он никогда не был полностью утерян. [ необходима цитата ]

Примеры: Некоторые породы собак плавают для развлечения. Умбра, собака-рекордсмен мира, может проплыть 4 мили (6,4 км) за 73 минуты, что ставит ее в 25% лучших соревнований по плаванию на длинные дистанции среди людей. [32] Хотя большинство кошек ненавидят воду, взрослые кошки хорошо плавают. Рыбалка кошка является одним диких видов кошки , которая эволюционировала специальные приспособления для водной или пола-водной жизни - перепончатые цифры. Известно, что тигры и некоторые отдельные ягуары - единственные большие кошки, которые легко уходят в воду, хотя другие большие кошки, включая львов, наблюдались плаванием. Некоторые породы домашних кошек также любят плавать, например, турецкий ван .

Лошади , лоси и лоси - очень сильные пловцы и могут преодолевать большие расстояния в воде. Слоны тоже умеют плавать даже в глубокой воде. Очевидцы подтвердили , что верблюды , в том числе верблюда и Бактрии верблюдов, могут плавать, [33] , несмотря на то , что существует мало глубокая вода в их естественной среде обитания.

Плавать умеют как домашние, так и дикие кролики . Домашних кроликов иногда дрессируют плаванию в качестве циркового аттракциона. Известно, что дикий кролик поплыл во время очевидного нападения на лодку президента США Джимми Картера , когда ему угрожала естественная среда обитания. [34]

Морская свинка (или свинка) отмечаются как имеющие отличную способность плавания. [35] Мыши неплохо плавают. Они впадают в панику, когда их помещают в воду, но многие лабораторные мыши используются в водном лабиринте Морриса , в качестве теста для измерения обучаемости. Когда мыши плавают, они используют свои хвосты как жгутики и бьют ногами.

Многие змеи также отлично плавают. Крупные взрослые анаконды проводят большую часть времени в воде, и им трудно передвигаться по суше.

Многие обезьяны могут плавать естественным образом, а некоторые, например, хоботок , крабоядная макака и макака-резус, плавают регулярно.

Человеческое плавание [ править ]

Основные статьи: Человеческое плавание и История плавания

Плавание было известно людям с доисторических времен; Самое раннее упоминание о плавании относится к картинам каменного века, датируемым примерно 7000 лет назад. Соревновательное плавание началось в Европе около 1800 года и было частью первых современных летних Олимпийских игр 1896 года в Афинах , хотя и не по форме, сопоставимой с современными соревнованиями. Только в 1908 году Международная федерация плавания ввела в действие правила проведения соревнований по плаванию . [36]

См. Также [ править ]

  • Рыбные плавники
  • Роль кожи в передвижении
  • Компромиссы для передвижения в воздухе и воде
  • Волнообразное движение

Ссылки [ править ]

  1. ^ Kröger, B .; Юн-бай, Ю.Б. (2009). «Импульсное разнообразие головоногих моллюсков в ордовике». Палеогеография, палеоклиматология, палеоэкология . 273 (1–2): 174–201. Bibcode : 2009PPP ... 273..174K . DOI : 10.1016 / j.palaeo.2008.12.015 .
  2. ^ Шу, Д.Г.; Моррис, Южная Каролина; Han, J .; Чжан, ZF; Yasui, K .; Janvier, P .; Chen, L .; Чжан, XL; Лю, JN; Li, Y .; Лю, H. -Q. (2003), "Голова и позвоночник раннего кембрия Haikouichthys " , Nature , 421 (6922): 526–529, Bibcode : 2003Natur.421..526S , doi : 10.1038 / nature01264 , PMID 12556891 , S2CID 4401274  
  3. ^ «Поведение в воде» . Центр академических исследований и обучения антропогенезу . Дата обращения 2 июля 2017 .
  4. ^ a b c «Использование конвергенции как инструмента в реконструкции человеческого прошлого, с особым упором на использование воды в эволюции гомининов» (PDF) . WIReDSpace (институциональный репозиторий Wits на DSpace) . Дата обращения 2 июля 2017 .
  5. ^ Лауга, Эрик; Томас Р. Пауэрс (25 августа 2009 г.). «Гидродинамика плавающих микроорганизмов». Отчеты о достижениях физики . 72 (9): 096601. arXiv : 0812.2887 . Bibcode : 2009RPPh ... 72i6601L . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 72/9/096601 . S2CID 3932471 . 
  6. ^ Брэди, Ричард М. (1993). «Крутящий момент и переключение в бактериальном жгутичном двигателе. Электростатическая модель» . Биофизический журнал . 64 (4): 961–973. Bibcode : 1993BpJ .... 64..961B . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (93) 81462-0 . PMC 1262414 . PMID 7684268 .  
  7. ^ Мортимер, Шэрон Т. (1997). «Критический обзор физиологического значения и анализа движения сперматозоидов у млекопитающих» . Обновление репродукции человека . 3 (5): 403–439. DOI : 10.1093 / humupd / 3.5.403 . PMID 9528908 . 
  8. ↑ MP Neilson; Дж. А. Маккензи; С.Д. Уэббс; Р. Х. Инсолл (2011). «Моделирование движения клеток и хемотаксиса с использованием обратной связи на основе псевдоподов» (PDF) . Журнал SIAM по научным вычислениям . 33 (3/4): 1035–1057. DOI : 10.1137 / 100788938 .
  9. ^ Шустер, Флорида; Висвесвара, GS (2004). «Свободноживущие амебы как оппортунистические и неопортунистические патогены человека и животных». Международный журнал паразитологии . 34 (9): 1001–1027. DOI : 10.1016 / j.ijpara.2004.06.004 . PMID 15313128 . 
  10. ^ a b Уилбур, Карл М .; Кларк, MR; Труман, скорая помощь, ред. (1985), "11: Эволюция плавучести и передвижения у современных головоногих моллюсков", The Mollusca , 12. Палеонтология и неонтология головоногих моллюсков, Нью-Йорк: Academic Press, ISBN 0-12-728702-7
  11. ^ a b Уилбур, Карл М .; Кларк, MR; Труман, скорая помощь, ред. (1985), The Mollusca , 12. Палеонтология и неонтология головоногих моллюсков, Нью-Йорк: Academic Press, ISBN. 0-12-728702-7
  12. ↑ Мэрион Никсон; Дж. З. Янг (2003). Мозг и жизнь головоногих моллюсков . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-852761-9.
  13. ↑ Дэниел Л. Гилберт; Уильям Дж. Адельман; Джон М. Арнольд (1990). Кальмары как экспериментальные животные . Дэниел Л. Гилберт, Джон М. Арнольд (иллюстрированный ред.). Springer. ISBN 978-0-306-43513-3.
  14. ^ Кэмпбелл, Reece, и Митчелл, p.612
  15. ^ a b c Левинтон, Джеффри С. Морская биология: функция, биоразнообразие, экология. 3-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2008. Печать.
  16. ^ a b c d e f g Макнил Александр, Р. Исследование биомеханики: животные в движении. 2-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: WH Freeman & Co, 1992. Печать.
  17. ^ Hale, Мелина, Р. Дэй, Д. Торсен, М. Westneat. 2006. Координация грудных плавников и переходы походки у устойчиво плавающей молоди рифовых рыб. Журнал экспериментальной биологии (209): 3708-3718.
  18. ^ Книга рекордов Гиннеса (2009)
  19. ^ a b Сфакиотакис, Майкл, Д. Лейн, Б. Дэвис. 1999. Обзор способов плавания рыб для передвижения в воде. Журнал океанической инженерии (24: 2) 237-252.
  20. ^ Лаудер, Г., и Джейн, Б. Передвижение грудных плавников у рыб: тестирование моделей, основанных на перетаскивании, с использованием трехмерной кинематики. Оксфордские журналы. 2011 г.
  21. ^ Олбергер, Дж., Г. Стаакс и Ф. Хокер. Эффективность плавания и влияние морфологии на затраты на плавание рыб. J. Comp Physiol B. 176: 17-25. 2005 г.
  22. ^ Рыба, Фрэнк Э. Биомеханика и энергия у водных и полуводных млекопитающих: от утконоса до кита. Чикагские журналы. 2011 г.
  23. ^ Уокер, Дж. И М. Вестнит. Механические характеристики водной гребли и полета. Королевское общество. 10.1098. 2000 г.
  24. ^ a b c d Лайтхилл, МДж. Гидромеханика движения водных животных - Анну. Rev. Fluid. Мех. - 1969 1-413-446.
  25. ^ Wakeling, Джеймс М .; Джонстон, Ян А. (1999). «Сгибание тела во время быстрого старта у рыб можно объяснить с точки зрения крутящего момента мышц и гидродинамического сопротивления». Журнал экспериментальной биологии . 202 (6): 675–682.
  26. ^ а б Итон, Роберт С.; и другие. (1977). «Инициированная Маутнером реакция испуга у костистых рыб». F. Exp. Биол . 66 (1): 65–81. PMID 870603 . 
  27. ^ Wakeling, JM "Биомеханика быстрого старта у рыб". Сравнительная биохимия и физиология, часть A.131 (2001): 31-40.
  28. ^ a b Фельдкамп, С.Д. «Плавание в калифорнийском морском льве: морфометрия, сопротивление и энергия». J. exp. Биол. 131, 117-135 (1987).
  29. ^ Marcinek, Дэвид Дж .; Сюзанна Б. Блэквелл; Хайди Дьюар; Эллен В. Фройнд; Чарльз Фарвелл; Даниэль Дау; Эндрю С. Зейтц; Барбара А. Блок (2001-04-01). «Глубина и температура мышц тихоокеанского синего тунца, исследованные с помощью акустических и всплывающих спутниковых архивных меток». Морская биология . 138 (4): 869–885. DOI : 10.1007 / s002270000492 . S2CID 84807808 . 
  30. ^ Elsworth, Питер G .; Франк Сибахер; Крейг Э. Франклин (апрель 2003 г.). «Устойчивое плавание у крокодилов (Crocodylus porosus): влияние размера тела и температуры». Журнал герпетологии . 37 (2): 363–368. CiteSeerX 10.1.1.667.6790 . DOI : 10,1670 / 0022-1511 (2003) 037 [0363: sspicc] 2.0.co; 2 . 
  31. ↑ Александр, Дэвид Э. (17 ноября 2004 г.). Летуны природы: птицы, насекомые и биомеханика полета . JHU Press. ISBN 9780801880599 - через Google Книги.
  32. ^ "ВИДЕО СОБАКИ ПЛАВАНИЯ .... Фон плавания" . www.sdogv.com .
  33. ^ "Прямой мешок с наркотиками: Прямой мешок с наркотиками: верблюд - единственное животное, которое не умеет плавать?" .
  34. ^ «Сегодня в странной истории: Джимми Картер атакован кроликом-убийцей (20 апреля 1979 г.)» . www.newsoftheodd.com .
  35. ^ Харкнесс, Джон Э .; Вагнер, Джозеф Э. (1995). Биология и медицина кроликов и грызунов . Уильямс и Уилкинс. С. 30–39. ISBN 978-0-683-03919-1.
  36. ^ Kehm, G (2007). Олимпийское плавание и прыжки в воду: великие моменты в олимпийской истории . Издательская группа Rosen. С.  14 . ISBN 978-1-4042-0970-1.