Akvātiskā lokomocija: dzīvnieku un organismu pārvietošanās ūdenī

Akvātiskā lokomocija: kā dzīvnieki un organismi pārvietojas ūdenī — evolūcija, kustību veidi un adaptācijas.

Ūdenstilpju kustības ir dzīvnieku un citu organismu pārvietošanās ūdenī. Pasaules virsmu lielākoties klāj ūdens, un visi lielākie dzīvnieku dzimtas pārstāvji ir sākuši savu dzīvi ūdenī. Pārvietošanās ūdens vidē ir būtiska, lai atrastu barību, partnerus vai pat drošus slēptuves — un tā ietekmē gan fizioloģiju, gan uzvedību.

Senākās mums zināmās fosilijas ir stromatolīti, kas ir matiem līdzīgas struktūras, ko veidojušas fotosintezējošas baktērijas jūrā. Stromatolīti liecina par ļoti agrīnu dzīvi ūdenī un par to, kā primitivākas kopienas varēja mainīt vidi un radīt dzīves pamatus nākamajām sugām. Pat dzīvnieki, kas attīstījušies uz sauszemes, bieži ir atgriezušies ūdenī — kukaiņi, rāpuļi, zīdītāji un putni var atrasties vai attīstīties ūdens vidē, saglabājot elpošanu ar gaisu vai pielāgojoties dziļākajai dzīvei.

Mēs īsti nezinām, kad tieši attīstījās pirmie daudzšūnu dzīvnieki un augi, taču salīdzinoši ilgs laiks un dažādi atradumi liecina par agrīnām formām. Ir veikti daži aprēķini, un fosilais materiāls dod gan uzskatus, gan neskaidrības. Akritarhi (mikroorganismi vai to atstātie organiskie atlikumi) ir sastopami ļoti senā pagātnē un varētu liecināt par agrīnu eikariotu vai protistu klātbūtni. Šķiet, ka dažas no agrīnām dzīvības formām varēja būt gan gaļēdājas, gan ganītājas — iespējams, attīstot elementāras barošanās stratēģijas līdzīgi dažiem prostatas vai citiem vienšūņiem.

Lai atrastu pareizo vietu jūrā, kā arī lai ēstu un izvairītos no apēstības, ir nepieciešama pārvietošanās. Visām attīstītajām dzīvības formām un daudzām primitīvajām dzīvības formām ir lokomotīve — tas var būt no ļoti vienkāršas cīliāras kustības līdz sarežģītām ķermeņa viļņošānām vai spuru sistēmām.

Lokomocijas mehānismi ūdenī

• Cīlijas un flagellas: mikroskopiski organelli, ko izmanto vienšūņi un pirmssūnas, lai pārvietotos šķidrumā. Šīs kustības ir efektīvas pie maziem mērogiem, kur dominē šķidruma viskozitāte.
• Undulācija (viļņošana): ķermeņa vai astei radīti viļņi — tipisks risinājums zivīm (piem., tunci, zušiem), kuru vilces avots ir ķermeņa smaiļošana vai aste.
• Pildspalvas un spuras (oscillācija): daudzi dzīvnieki (delfīni, vaļi, daļa zivju) kustina spuras uz augšu un leju vai sāniski, radot vilci un liftu.
• Jet propulsija: ūdens izstumšana no speciālas kameras — izmanto medūzas un gliemežkauli (piem., kalmāri), ļaujot strauji bremzēt vai veikt ātras atsperešanās kustības.
• Air-righting un spārnu tipa vilce: putniem un dažiem raibiem ūdensbrīvajiem kukaiņiem spārnu vai spārnu līdzīgu struktūru vilkme palīdz peldoties vai ieniršanai.
• Pēdas un ķermeņa kustošā siena: rāpuļi, abinieki un ūdensputni var stumt ūdeni ar kājām vai ķermeņa ķermeņa daļām (piem., bruņurupuču lāpstiņkājas).

Fizika: pretestība, vilce un mērogs

Ūdenī darbojas tie paši principi kā gaisā, bet citu mērogā: ūdens ir blīvāks un viskozitātē augstāks, tāpēc pret kustību iedarbojas lielāka pretestība (drag). Lai pārvarētu to, dzīvotnes attīstīja divus pamatveidus: vilces radīšanu (thrust) un pretestības samazināšanu (streamlining). Mazos mērogos (mikroorganismi) dominē viskozitāte — tie "peld" kā caur biezāku šķidrumu, kamēr lielām zivīm un vaļiem dominē inerce un ātras, viļņveida kustības.

Reynoldsa skaitlis ir noderīgs koncepts: tas raksturo, vai kustībā dominē viskozitāte vai inerce. Mazs Reynoldsa skaitlis nozīmē, ka kustība ir “lepna” un pakļauta viskozitātei; liels skaitlis nozīmē, ka inerce ļauj dzīvniekam izmantot plūsmas un viļņveida vilci.

Peldošānā un regulēšana

Turklāt daudzi organismi spēj regulēt peldošanos. Zivis izmanto plaušu vai pūsli (swim bladder), lai kontrolētu tilpumu un blīvumu; haizivīm palīdz lielas tauku lādes (smērvielas) un plūdums. Jūras gliemeži, vaļi un medūzas izmanto ūdens pārvietošanu vai ķermeņa struktūras, lai saglabātu pareizu dziļumu bez liekas enerģijas tērēšanas.

Adaptācijas un piemēri

• Fish (zivis): strūklveida ķermeņi, skriemeļrādžu svari un spuras optimizētas viļņu ražošanai un pretestības samazināšanai.
• Heads (gliemežkauli, kalmāri): piedāvā elastīgu ķermeņa struktūru un spēcīgu jet propulsiju — ātriem, īslaicīgiem izrāvieniem.
• Medūzas un zooplanktons: izmanto pasīvas un aktīvas stratēģijas, lai izplatītos pa ūdens masu vai noturētos noteiktā slānī.
• Jūras zīdītāji (delfīni, vaļi): spēcīgas horizontālas astes plēksnes, izcilas hidrodinamiskās formas, izolācija ar taukiem un sarežģīta muskulatūra, kas nodrošina ilgu un efektīvu peldēšanu.
• Putni (pingvīni): plānveidīgas spuras, kas darbojas kā spuras zem ūdens; tie „lido” zemūdens ar lidmašīnas tipa aerodinamikas principiem.
• Kukaiņi un abinieki: dažādi risinājumi — no virsmas bīdes līdz ērču tipa spārdīšanai, piemēram, ūdensbriežu (water strider) virsmas izmantojot spriegumu.

Evolūcija un izpēte

Fosilais ieraksts, ieskaitot stromatolītus un organiskos mikrofossīlijus, dod ziņas par to, kā lokomocija ir attīstījusies un kā organisma forma pielāgojusies ūdens videi. Dažādu grupu atkārtota pāreja no sauszemes atpakaļ uz ūdeni parāda, cik plašs pielāgošanās potenciāls pastāv. Mūsdienu pētnieki izmanto biomehāniku, plūsmu vizualizāciju un ģenētikas datus, lai saprastu, kā attīstījās konkrētas kustību stratēģijas.

Lokomocija ūdenī ir daudzveidīga un atkarīga no lieluma, ekoloģiskajām prasībām un fizikas ierobežojumiem. Sapratne par šīm sistēmām ne tikai izgaismo evolucionāro vēsturi, bet arī iedvesmo tehnoloģijas — no efektīvākām zemūdenēm līdz biomimētiskiem robotiem, kas cenšas atdarināt dzīvnieku peldspēju.

Jautājumi un atbildes

Jautājums: Kas ir ūdens lokomotīve?

J: No kurienes sākās visu galveno dzīvnieku dzimtu dzīvnieki?

J: Kas ir stromatolīti?

Vai dzīvnieki, kas attīstījušies uz sauszemes, vienmēr elpo gaisu, kad atgriežas ūdenī?

J: Kādi dzīvnieki dzīvo ūdenī?

J: Kad pirmo reizi parādījās akritarhi?

J: Kāpēc jūrā dzīvojošajiem organismiem ir svarīga pārvietošanās?

Meklēt pēc burta