Акулы-молоты задержали дыхание ради сохранения тепла на глубине
Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Science.
Бронзовые акулы-молоты (Sphyrna lewini) живут в теплых слоях воды у поверхности океана. Однако по ночам они в поисках добычи опускаются на глубину до 800 метров, где температура порой опускается до пяти градусов Цельсия. Хотя такие погружения обеспечивают акулам легкую охоту на медленно передвигающихся обитателей мезопелагиальной и батипелагиальной зон, например, кальмаров, они чреваты проблемами. Дело в том, что при резком переходе из теплых вод в холодные эти рыбы должны быстро терять производимое мышцами метаболическое тепло — оно будет рассеиваться через жабры. А потеря тепла, в свою очередь, снизит остроту зрения, а также замедлит работу сердца и плавательных мышц.
Некоторые рыбы, например, сельдевые акулы (Lamnidae) и тунцы, научились поддерживать высокую температуру скелетных мышц, мозга и глаз даже во время погружений в холодные воды. Они достигают этого благодаря чудесной сети плотно переплетенных кровеносных сосудов, где венозная кровь, разогретая работой мускулатуры, отдает почти все свое тепло поступающей из жабр холодной артериальной крови. После этого нагретая артериальная кровь направляется в мышцы, мозг или глаза, а охладившаяся венозная — к жабрам, где насыщается кислородом. Такой механизм позволяет свести потери тепла к минимуму. Тем не менее, у акул-молотов нет чудесной сети или ее аналогов.
Команда ихтиологов под руководством Марка Ройера (Mark Royer) из Гавайского университета в Маноа решила разобраться, как бронзовые акулы-молоты избегают чрезмерного охлаждения во время ночных погружений. Для этого исследователи пометили нескольких представителей этого вида устройствами, регистрирующими глубину, температуру окружающей среды, скорость и положение тела. Кроме того, в мускулатуру акул в районе спинного плавника вживили термисторы, которые оценивали температуру внутри мышц.
После сбора и обработки данных Ройер с соавторами смогли подробно описать, как акулы-молоты ныряют на глубины ниже 400 метров. Как правило, этот процесс идет следующим образом. Акула начинает погружение на средней глубине менее 60 метров. В течение двадцати с небольшим минут она спускается под небольшим углом, пока не достигает отметки в 110 метров ниже уровня моря. После этого рыба резко уходит на глубину под углом 70-80 градусов и всего через семь минут оказывается на глубинах от 300 до 500 метров. Здесь она совершает еще несколько рывков в направлении дна, каждый продолжительностью от пяти до двадцати секунд. Чем ближе к финальной точке погружения, тем чаще происходят такие всплески активности.
В результате акула-молот достигает отметки в 418-825 метров ниже уровня моря. Здесь она проводит около четырех минут, оставаясь на примерно одной и той же глубине или поднимаясь и опускаясь более чем на сто метров. Находясь в нижней точке погружения, акула активно движется — постоянно или с небольшими перерывами. Вероятно, именно здесь рыба охотится. Когда приходит время всплывать, акула в течение семи минут быстро поднимается под углом 70-80 градусов. Достигнув отметки в 250-350 метров ниже уровня моря, она замедляется и продолжает подъем под меньшим углом. Через 18 минут рыба оказывается на глубине около 50 метров. Здесь она остается для отдыха и медленно плавает в поверхностных слоях воды, пока не решает нырнуть еще раз. По оценкам исследователей, в среднем одно погружение продолжается 56 минут, а интервалы между ними составляют от тринадцати минут до трех с лишним часов (в среднем 43 минуты).
В нижней точке погружения акулы-молоты оказываются в воде с температурой пять-одиннадцать градусов Цельсия. При этом на стадии быстрого погружения температура вокруг них падает на 20 градусов Цельсия за пять-семь минут. Тем не менее, температура тела акул остается стабильной (и даже немного растет), пока они погружаются или находятся на глубине. Лишь во время возвращения к поверхности они начинают остывать. На стадии быстрого подъема температура тела акулы снижается в среднем на 0,03 градуса Цельсия в минуту, а на стадии медленного подъема падает на 0,23 градуса Цельсия в минуту. К моменту, когда акула оказывается в поверхностном слое воды, она на 2,8 градуса Цельсия холоднее, чем в начале погружения.
Схема погружения бронзовой акулы-молота (Sphyrna lewini). Иллюстрация: Mark Royer et al. / Science, 2023
Моделирование показало, что во время интенсивных фаз погружения (то есть при быстром спуске, плавании на большой глубине и быстром подъеме) коэффициент теплопередачи у акул-молотов ниже, чем во время медленного спуска и медленного подъема. А значит, эти рыбы способны ограничивать потерю тепла на больших глубинах.
Чтобы понять, как именно акулы-молоты делают это, Ройер и его коллеги оценили коэффициент теплопередачи у двух мертвых представителей этого вида. Поскольку в жабры этих рыб больше не поступала кровь, они обменивались теплом с окружающей средой только через поверхность тела. Оказалось, что коэффициент теплопередачи у мертвых акул-молотов такой же, как у их живых сородичей во время интенсивных фаз погружения. Основываясь на этих результатах, авторы пришли к выводу, что акулы-молоты не теряют тепло через жабры, когда быстро спускаются на большую глубину, охотятся там и быстро поднимаются оттуда. Чтобы достичь этого, акулам необходимо ограничить приток крови к жабрам или изолировать их от воды.
По мнению авторов, логичнее всего предположить, что акулы-молоты во время погружений ограничивают потери тепла через жабры, закрывая жаберные щели. В пользу данной версии говорит видеозапись, сделанная на значительной глубине, на которой одна из этих рыб запечатлена с сомкнутыми жаберными щелями. При этом у поверхности моря акулы-молоты держат жаберные щели открытыми. Однако с закрытыми жаберными щелями акулы не могут извлекать кислород из воды. Таким образом, можно сказать, что ныряющие акулы задерживают дыхание, причем больше чем на пятнадцать минут. Лишь на стадии медленного подъема они вновь открывают жаберные щели и начинают дышать — и быстро терять тепло.
Результаты исследования демонстрируют, что акулы-молоты, подобно сельдяным акулам и тунцам, поддерживают высокую температуру тела на больших глубинах. Однако они используют для этого иной механизм. В некотором смысле подход акул-молотов эффективнее, поскольку позволяет поддерживать высокую температуру не только в скелетной мускулатуре, но и в сердце.