Почему возникает кессонная болезнь? Каждые десять метров погружения — это прибавка в давлении на один килограмм. Десять метров — 1 атмосфера, 100 метров — 10 атмосфер, 1000 метров — 100 атмосфер или 100 килограммов на каждый квадратный сантиметр поверхности тела.
Если человек находится на глубине 60 метров, то вода давит на него с огромной силой — 6 килограммов на каждый квадратный сантиметр. Чтобы на глубине можно было дышать, надо водолазу воздух подавать под тем же давлением, с которым давит вода. Водолаз час дышал воздухом под давлением 6 атмосфер. Все клетки его тела, все органы испытывали то же самое давление воды. Теперь, если быстро поднять его на поверхность, во всех клетках и тканях его организма выделятся миллиарды пузырьков. Это всё равно, что нагреть бутылку лимонада и открыть пробку — содержимое выплеснется из неё пенистым фонтаном.
Почему так происходит? Воздух, которым дышал водолаз, растворялся у него в крови. Кислород использовался для дыхания клеток и тканей тела, а инертный азот насыщал и насыщал кровь и ткани тела. Стоит изменить давление, и азот начнет из растворенного состояния переходить в газообразное: кровь закипит миллиардами пузырьков, которые закупорят сосуды, и наступит смерть или тяжёлый паралич. Правда, если очень быстро снова повысить давление, — например, поместить водолаза в специальную декомпрессионную камеру, — то газ снова перейдёт в раствор, затем, постепенно понижая давление, можно человека спасти, так как избыток азота будет постепенно уноситься током крови и через лёгкие выводиться наружу.
А вот киты могут нырять даже на большие глубины без всякой опасности заболеть страшной кессонной болезнью. Всё дело в том, что они ныряют с одной порцией воздуха в лёгких. Даже если весь воздух из их легких растворится в крови во время погружения, то и в этом случае быстрое всплытие не приведет к образованию газовых пузырьков — слишком мало воздуха было в организме.
Поэтому ничего не придумано в рассказе о погружении Моби Дика и Гука на огромные глубины. Замечено, что дельфины афалины (Tursiops truncatus по-латыни) погружаются на несколько сот метров. Конечно, обычно они ныряют на меньшую глубину — всего на несколько десятков метров. Кашалоты же — рекордсмены среди всех китов по глубине ныряния: несколько раз их находили запутанными в подводных кабелях на глубине свыше 1000 метров, а однажды даже на глубине свыше 2000 метров!
Итак, китообразные — млекопитающие, но их строение претерпело огромные изменения. Даже чисто внешне эти животные похожи на рыб. Вытянутое обтекаемое тело, передние конечности превратились в грудные плавники, задние исчезли совсем, и органом движения стал хвостовой плавник с горизонтальными лопастями-вёслами. Все эти перестройки позволяют быстро перемещаться в плотной среде и быть маневренным и подвижным. Так дельфины «преодолели» плотность воды.
Их кожа стала толстой и упругой, исчезли бесполезные теперь железы и волосы, но зато появился мощный слой жира, который как хороший изолятор надёжно защищает теплокровное животное от гибельного переохлаждения. Вместе с тем в коже имеется огромное число нервных окончаний и кровеносных сосудов — она стала не только органом, приспособленным для сохранения тепла и выведения из организма его избытка, образующегося при интенсивном плавании, но и служит сигнализатором о всех изменениях температуры, давления и скорости воды. Толщина, упругость, а также слой специальной мускулатуры обеспечивают ей некоторую подвижность. Удалось заметить, что во время стремительного плавания, особенно при резких поворотах, на коже образуются специальные скоростные складки, которые как бы «бегут» вдоль тела и, возможно, гасят турбулентные завихрения. А всё в целом — обтекаемая форма тела, упругая кожа, мощный хвостовой плавник — позволяет дельфинам плавать со скоростью до 50 километров в час.
Недавно высказана интересная гипотеза о ещё одном возможном качестве кожи: находящиеся в ней в огромном числе нервные окончания могут не только воспринимать температуру, давление воды, но и звуки, приходящие сбоку или сзади (как мы ощущаем дуновение ветерка, когда загораем на пляже). На такую возможность указывают не только расчеты, но и эксперименты по выяснению чувствительности дельфиньей кожи. Оказалось, что отдельные участки воспринимают давление в 10 мг/мм2, а этого достаточно, чтобы чувствовать звуки давлением в 90 бар. Если добавить, что звуки дельфинов достигают 900 и 9000 бар, то станет очевидно, что дельфины их могут «принимать» своей кожей.
Дельфинам надо дышать воздухом атмосферы. Природа не заготовила им акваланга, приходится выныривать для вдоха на поверхность. Но и здесь, в этом простом и естественном акте, произошли огромные перестройки. Прежде всего изменилось строение органов дыхания — нос и рот у них разъединены. Носовые отверстия передвинулись на самую высокую, выступающую часть головы — на макушку. Стоит лишь её выставить на поверхность — и можно дышать. Правда, удобно? Но это не всё. Глотка перегорожена посредине удлинёнными хрящами гортани — настоящей хрящевой трубкой, пути пищи и воздуха навсегда разделены. Это значит, что можно под водой глотать свою добычу и не бояться, что в лёгкие попадет вода.
Необычайно интересно устроен «нос» дельфина. Он открывается наружу одной ноздрей, которая, как только выдох-вдох закончены, плотно закрывается специальным кожистым клапаном. Чем глубже погружается дельфин в воду, тем надежнее действует этот затвор. Под клапаном начинается воздухоносный путь, от которого вперёд отходит несколько пар карманов; они располагаются на разных уровнях по высоте. Оказалось, что эти карманы для воздуха могут менять свою форму и размеры под действием многочисленных мышц, а при этом воздух из них будет выжиматься через узкие отверстия. Считалось, что, регулируя усилия мышц вокруг воздушных карманов, дельфин может издавать множество самых разнообразных звуков — писки, свисты, кваканья, мяуканья, скрип и многие другие, о которых читатель уж знает из книги. Однако оказалось, что основным источником сигналов в дельфиньем носу является пара мышечных клапанов, а воздушные мешки необходимы для перекачки воздуха при издавании звуков и изменения его давления.
Долгое время считалось, что киты и дельфины лишены голосовых связок, но в последнее время установлено, что это не вполне точно: не особенно сложный, но настоящий аппарат голосовых связок есть в гортани ряда исследованных дельфинов.
Выяснилось и то, что вытянутые в трубку и плотно прилегающие друг к другу хрящи гортани могут в некоторых случаях работать как большой свисток. Таким образом, часть звуков производится носом, а часть гортанью.
Необычен процесс дыхания китов. Вдох и выдох длятся лишь полсекунды. И за это мизерное время дельфин успевает выдохнуть от трех до десяти литров воздуха, а потом снова вдохнуть такое же количество. По своей интенсивности дыхание дельфина превосходит дыхание спортсмена при забеге на сто метров, а при сравнении с нашим дыханием оно интенсивнее раз в шесть—восемь. Нос на макушке и краткость дыхательного акта — прекрасные приспособления дельфинов к постоянной жизни в воде!
Во время ныряния у дельфина происходит важное перераспределение крови в организме. Кровеносные сосуды, питающие мышцы и внутренние органы, перекрываются специальными клапанами, и кровь из лёгких, обогащённая кислородом, поступает для питания лишь нервной системы и органов чувств, которые плохо переносят кислородный голод.
А как же работают мышцы, за счёт какого горючего они сокращаются и позволяют животному стремительно нестись в водной толще? Оказалось, что они действительно вынуждены обходиться внутренними ресурсами. Надо сказать, что у китообразных мышцы почти чёрного цвета — так много в них миоглобина, связывающего кислород. Поэтому во время дыхания на поверхности они запасают кислород, а во время погружения расходуют его запасы. Когда же эти запасы кончаются, они переходят на бескислородное окисление — в них начинает накапливаться молочная кислота. Тот же процесс идёт у человека и у других животных, когда они надолго задерживают дыхание. Процесс бескислородного окисления с образованием молочной кислоты у дельфинов развит очень хорошо. Это, равно как и резкое уменьшение числа сердечных сокращений — не надо большого количества для снабжения мозга и органов чувств, можно экономно расходовать запасы кислорода из лёгких, — позволяет китам и дельфинам значительно удлинить время погружения. Кстати сказать, именно поэтому Гук и смог научиться оставаться на глубине дольше, после того как он стал там интенсивно питаться. Быстро протекающее у дельфинов и китов переваривание пищи даёт, очевидно, организму дополнительные резервы энергии. И даже если эти резервы не особенно велики — около двадцатой части энергии, которую можно было бы получить, «сжигая» полученные углеводы в присутствии кислорода, — они должны существенно помочь киту на глубине.