Физика в мире животных: жираф и его «насос»
Для человека многие животные кажутся привычными, они вроде как уже и не могут нас ничем удивить. Но на самом деле, любой живой организм на Земле — это целая биохимическая лаборатория, которая содержит ряд интереснейших механизмов. О многих животных уже публиковались материалы на Geektimes, но, конечно, далеко не о всех.
Задумывались ли вы, каким образом жираф пьет воду? Может быть, кто-то даже видел, как животное делает это, в зоопарке? На самом деле, с такой длинной шеей, как у жирафа, просто попить не получится. В его организме есть несколько приспособлений, которые позволяют без особых проблем утолить жажду, когда хочется. Внешне все просто — животное раздвигает передние конечности и наклоняет шею, прикасаясь к поверхности воды губами. Самое интересное скрыто от глаз человека.
Немного о самой шее
Шея жирафа усложняла бы животному жизнь, если бы не ряд компенсирующих механизмов. Например, для того, чтобы поднимать кровь к голове на несколько метров, сердце животного увеличилось в размерах, стенки его стали гораздо толще, чем, к примеру, у окапи, близкого родственника жирафа. Давление крови у этого животного в два или даже три раза больше кровяного давления человека. Это сердце пропускает около 60 литров крови в минуту, его вес — 12 килограммов. Кровь жирафа более густая и имеет вдвое более высокую плотность кровяных телец, чем у человека. По мнению некоторых ученых, этот показатель один из наиболее высоких среди всех существующих животных.
И здесь появляется еще несколько проблем. Например, если бы не ряд компенсирующих механизмов, высокое давление крови просто убивало бы жирафа, когда тот опускает голову вниз. В мозг его вкачивалось бы большое количество крови. Но у сосудов шеи есть специфические клапаны, которые предохраняют мозг животного. Аналогичная проблема, только обратная по знаку, если так можно выразиться, возникает, когда жираф поднимает голову. Это происходит быстро, и если бы не другая группа компенсирующих механизмов, то давление крови в этот момент бы сильно падало. Может быть, это и не убило бы животное, но сознание бы оно теряло каждый раз при поднимании головы на исходную высоту. Здесь приходят на помощь все необычные по структуре сосуды, способные держать давление животного примерно на одном и том же уровне.
Жираф — очень большой. Это самое высокое животное в мире. В процессе движения возникают перегрузки, которые в обычной ситуации, без адаптации организма под такие нагрузки, просто медленно бы убивали это животное. Например, в его конечностях постоянно накапливалась бы вода. Для того, чтобы предотвратить это явление при перегрузках у человека, используются специальные костюмы особой конструкции. У жирафа есть собственный «костюм» такого типа, созданный самой природой в ходе эволюции. У него прочная и эластичная эпителиальная ткань и необычно эластичная соединительная ткань.
Жирафы умеют быстро бегать, в случае острой необходимости они достигают галопом скорости 55 км/ч, то есть на коротких дистанциях они могут перегнать скаковую лошадь. Однако, как правило, эти животные ходят не спеша, передвигая одновременно оба правых копыта, затем оба левых. Из-за своего большого веса и тонких ног жирафы могут ходить только по твёрдой поверхности.
Как жираф пьет?
Но вернемся к воде и процессу утоления жажды у этих гигантов. Продолжительное время считалось, что животным удается пить воду благодаря тому, что они создают область низкого давления в пищеводе и желудке. Таким образом, рассуждали ранее ученые, вода поднимается из источника по горлу и далее вливается в пищевод и желудок. На самом деле, жираф неспособен создать область низкого давления таким образом.
То есть она создается, но иным путем — благодаря синхронным действиям различных элементов в шее животного. В этом процессе участвует надгортанник, с одной стороны, и губы животного с другой. Склоняясь к воде, жираф особым образом сжимает губы и начинает всасывать воду, причем «клапан» надгортанника при этом закрыт. Потом губы закрываются, а «клапан» в надгортаннике открывается, что позволяет воде перемещаться в пищевод.
Этот процесс повторяется снова и снова. На каком-то этапе животное поднимает голову и шею, и вода переходит в желудок. Так повторяется несколько раз, пока жираф не напьется. По оценке исследователей, закачка воды в организм животного происходит примерно со скоростью 10 км/ч. Этого достаточно для того, чтобы поток воды создавал давление на входе в пищевод, с тем, чтобы уже находящаяся там вода не вытекала обратно. Всего в пищеводе может находиться одновременно около 5 литров воды. Каждый цикл закачки обеспечивает попадание в пищевод 300 миллилитров воды. За 25 секунд жираф может осуществить до 17 таких циклов.
Интересно, что все эти данные получены физиком Филиппом Биндером, который в прошлом году поехал в один из национальных парков ЮАР. Он наблюдал за животными довольно долго, с близкого расстояния, так что смог за время наблюдений понять, что именно происходит в шее жирафа, когда тот пьет. Одно из видео, сделанных в зоопарке Phoenix Zoo в Аризоне показывает процесс утоления жажды жирафом с близкого расстояния.
Для того, чтобы обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, природе пришлось увеличить в ходе эволюции легкие жирафа, чтобы он мог дышать на высоте 3-х метров, перекачивая воздух в легкие. Такие изменились кости, мышцы и соединительная ткань — ведь, как и говорилось выше, жираф постоянно испытывает перегрузки.
Жирафы обитают в саваннах Африки. Сегодня их можно встретить только к югу и юго-востоку от Сахары, прежде всего в саваннах Восточной и Южной Африки. Популяции севернее Сахары были искоренены человеком ещё в древности: во времена Древнего Египта они существовали в дельте Нила и на берегах Средиземного моря. К сожалению, в XX веке ареал жирафов вновь значительно сократился. Наиболее крупные популяции жирафов сегодня обитают в заповедниках и резерватах.
