ПОЛЕТ КАЛЬМАРА
Моряки неторопливого века парусных судов пристально следили за судьбой моря и многое о ней знали. Знали они, к примеру, что некоторые кальмары могут, спасаясь от врагов, вылетать из некоторое расстояние и воды преодолевать по воздуху, время от времени залетая на палубы судов. Один вид даже стал называться «летающий кальмар» (Ommastrephes bartramii), второй — «птицекрылый кальмар» (Ornithoteuthis volatilis). Огромные железные суда отдалили человека от водной поверхности, опыт моряков прошлого был забыт. И тогда как Тур его спутники и Хейердал по экспедиции на плоту «Кон-Тики» увидели маленьких кальмаров, вылетающих из воды и плюхающихся на крышу их плавучего жилища, их удивлению не было границ. «Планирующий кальмар явился новостью для всех зоологов, с которыми я говорил», — писал Хейердал.
Понаблюдав за летающими кальмарами, поболтав с рыбаками и полистав ветхие книги, зоологи осознали, что летающие кальмары — конечно чудо природы, но чудо достаточно простое. Сейчас главы о летающих кальмарах имеются в произвольной популярной книге о головоногих моллюсках. Установлено, что летают юные особи нескольких видов кальмаров, обитающих в приповерхностном слое моря, а у некоторых маленьких видов способны к полету и взрослые. Известно, что кальмары могут пролетать 50 - 60 м, поднимаясь при этом на высоту до 5 - 6 м, но как правило летят над самой поверхностью воды, не выше метра.
Но каким методом они летают — это оставалось предметом дискуссии. То ли они, как дельфины или киты, разогнавшись в воде, в атмосферу, то ли, как летучие рыбы, парят в воздухе с растопыренными плавниками, уподобляясь бумажному самолетику?
Еще в 1963 г. в издании «жизнь и Наука» (№11) была напечатана заметка Ю. Сафронова «Кальмары — спринтеры моря». В ней автор пробовал вычислить, до какой скорости обязан разогнаться в воде кальмар, чтобы залететь на палубу судна. Предположив, что кальмар с диаметром туловища 10 см вылетает из воды под самые выгодным для подъема углом 45° и достигает высоты 10 м, автор заметки взял скорость 20 м/с, или 72 км/ч. Если это так, следовательно, кальмары способны свободно обогнать эсминец, и, чтобы ловить их, нужны как минимум торпедные катера! Но наблюдения опыты и рыбаков в аквариумах говорят о значительно меньшей скорости их плавания: при «броске» она составляет 1,8 - 2,2 м/с, или около семи километров/ч. Причина расхождения данных — конкретно в разных представлениях о механизме полета кальмаров. Сафронов исходил из предположения, что кальмар летит, подобно камню. Но Хейердал видел — и бессчётные наблюдения вторых очевидцев это подтверждают, — что кальмары летят с расправленными плавниками.
«Они, как и летучие рыбы, совершают над волнами планирующий полет, пока не кончится запас собранной скорости», — пишет Хейердал. Об этом же методе перемещения говорит и отношение большой дальности к высоте полета – не менее 10. Если кальмар выпрыгивает из воды вертикально вверх, он поднимается над поверхностью всего на метр-полтора (наблюдения Г. В. Зуева). На палубу судов попадают кальмары, летящие горизонтально. Но если кальмар летит, планируя, то ему нет потребности разгоняться до скорости эсминца, чтобы встать до отметки палубы: каждый, кому приходилось наклоняться над водой с наветренного борта лежащего в дрейфе судна, знает, какой сильный ветер дует в лицо снизу вверх.
Увы! Аэродинамика кальмара куда менее совершенна, чем у авиамодели или летучей рыбы. Плавник кальмара находится в задней части тела, и его протяженность, как правило, не превышает половины туловища, составляя одну треть или одну четверть неспециализированной длины тела животного. Нужно учесть, что кальмары летают хвостом вперед, потому, что разгоняются реактивным методом, выбрасывая воду из мантийной полости через особенную воронку, расположенную под головой и раскрывающуюся в сторону головы. При медленном плавании моллюск способен развернуть воронку так, чтобы плыть головой вперед, но полёт и быстрое плавание возможны только в «неверном» положении — головой назад.
Поддерживающая аэродинамическая сила приложена к центру площади плавника, т. е. к точке, отстоящей от хвоста на расстояние одной пятой — одной восьмой длины тела. А центр тяжести кальмара находится приблизительно в середине туловища. При полете с расправленным плавником создается пара сил, стремящаяся развернуть кальмара в вертикальной плоскости. Он «задирает шнобель» (т. е. хвост), теряет устойчивость и обязан плюхнуться в воду головой вперед, пролетев лишь малую долю возможной расстоянии. Аэродинамически кальмару было бы выгоднее лететь с нерасправленным плавником!
В 1964 г. американскому ученому Д. Гилберту в первый раз удалось снять полет кальмара на кинопленку. Это было у берегов Чили, в окрестностях Вальпараисо, где в изобилии водятся перуано-чилийские огромные кальмары дозидикусы (Dosidicus gigas). Съемку создавали с лодки, так что моллюски смотрелись в профиль, как как будто бы бы чёрные торпедовидные силуэты. Расправленных плавников видно не было. Гилберт не смог по снятым кинокадрам установить настоящий размер кальмаров, но принял, что протяженность их туловища 120см. При этом выходило, что дальность полета — 1,7 м, высота полета — 30 см, скорость при вылете — 1,75 м/с, при падении в воду — 7 м/с. Но 120 см – это большая узнаваемая протяженность туловища дозидикуса. Простой же размер не превышает 50 см, и если принять это число, окажется, то скорость кальмаров при вылете из воды немногим более 1 м/с, а дальность — лишь 70 см. При столь небольшом полете расправленные плавники в самом деле не нужны. Но но полеты кальмаров на десятки метров и залеты на палубы наблюдались большое количество раз!
Решение загадки было совершенно неожиданным. В 1981 г. в японском издании «Асахи Гурафу» (№3016) опубликован отличный снимок фотографа-анималиста Мицуаки Ивааи (в том же году этот снимок был воспроизведен с комментариями и прорисовками специалиста по плаванию и полёту животных Акира Адзума в научно-популярном издании «Кагаку Асахи», №10). Фотография сделана в Индийском океане, на ней изображена стайка из десятка кальмаров одного размера, летящих низко над водой в одном направлении - от зрителя. Они сняты с высокой точки, разумеется с палубы большого судна. По словам фотографа, кальмары пролетели над водой пару десятков метров. Они не были пойманы и измерены, но по характерному и достаточно закономерно изменяющемуся с возрастом соотношению длины и ширины плавника и мантии нетрудно найти, что это молодь или маленькие самцы Sthenoteuthis oualaniensis - индотихоокеанского тропического, или уаланского, кальмара (Уалан — атолл из цепи Каролинских о-вов, вблизи которого этот кальмар в первый раз попал в руки зоологов). Протяженность мантии около 10 см, неспециализированная протяженность тела с руками — около 15 см.
Взрослый уаланский кальмар (его еще именуют пурпурным) некрупный, протяженность мантии как правило не более 30-35 см, вес — до 1 кг. Он распространен по всей тропической Индо-Пацифике — от Красного моря до Панамского залива и от Южной Японии до Северной Австралии; местами совершенно бессчётен, а на островах Тайвань и Рюкю добывается в промысловых количествах. Полеты этих кальмаров, в особенности молодых, наблюдались большое количество раз.
На снимке, сделанном Ивааи, видно, что плавники максимально расправлены, их ширина в 2,5 раза больше длины, кончики плавника легко загнуты вверх под напором воздуха. Но самое необычное — это руки кальмаров. Самые верхние — первая (спинная) пара — вытянуты и тесно сложены. Не достаточно отстоят от них руки четвертой (брюшной) щупальца и пары, а руки второй и в особенности третьей пары выгнуты дугой, их середины максимально оттопырены от оси тела, и между ними явственно видна узкая перепонка.
Эта перепонка в далеком прошлом не давала покоя зоологам, изучающим кальмаров. Она именуется защитной мембраной, и считается, что ее функция — защищать присоски рук от повреждения током воды при стремительном плавании. На каждой руке, на ее спинной и брюшной стороне, по две защитные мембраны. Это узкая кожица, растянутая на мышечных подпорках-перекладинах, которые отходят от боковой стороны руки между каждыми двумя присосками вовнутрь конуса рук. Как правило ширина мембраны приблизительно равна высоте присосок над поверхностью руки, так что обе мембраны как раз закрывают присоски. Но у отдельных видов кальмаров защитные мембраны на некоторых руках шире простого. Особенно широки они у трех видов, обитающих в основном в верхних слоях воды открытого океана, на большом растоянии от берегов: у Ommastrephes bartratmii, того, что назвали летающим кальмаром, у Sthenoteuthis pteropus, которого из-за этих широких мембран именуют крылоруким кальмаром, и у Sthenoteuthis oualaniensis — уже привычного нам уаланского кальмара, ближайшего родственника обитающего в Атлантике крылорукого. Наиболее развиты у них брюшные защитные мембраны боковых пар рук, второй и третьей. Улетающего кальмара они так широки, что мышечные подпорки чуть достигают середины мембраны, а у взрослых самок этого вида брюшные защитные мембраны третьей пары рук вытянуты в огромную треугольную лопасть. У крылорукого и уаланского кальмаров они развиты не сильный, но даже в сократившемся виде не уступают тол щи не руки в самом широком месте.
По какой причине конкретно у этих трех видов мембраны развиты столь сильно, зоологи имели возможность лишь строить предположения. Одно из них таково: эти кальмары частенько видятся в совершенно бедных пищей центральных частях океанов, где шансы наловить много простой кальмарьей пищи — маленьких кальмаров и рыбок — невелики. Исходя из этого им нужно пополнять свой рацион планктонными рачкам. Но те малы по размерам, и их тяжело схватить присосками. Нужно что-то наподобие сетки или корзинки, чтобы не потерять пойманную добычу. Роль такой корзинки и играются широкие защитные мембраны. Быть может, это и так, но уж о чем и поразмыслить никто не мог, так это о том, что мембраны помогают кальмарам летать. А именно это четко видно на прекрасной фотографии Ивааи: кальмар, вылетая из воды, не только расправляет плавник, но в один миг изгибает дугой боковые руки и сокращает мембрану, так что она натягивается и фактически закрывает пространство между растопыренными руками. Получается необычный пленчатый «головной плавник». Согласно расчетам Адзума, основанным на измерении прорисовок сфотографированных кальмаров, площадь этого «крыла» в 1,67 раза превышает площадь хвостового плавника. Так, аэродинамическая поддерживающая сила Именуется приложенной и к головной, и к хвостовой части тела кальмара, и полет получается устойчивым.
Сейчас мы можем представить себе, как летают кальмары. Стайка испуганных хищником молодых кальмаров, обитающих неподалеку от поверхности воды, с места набирает большую скорость. Их руки отлично сложены конусом, щупальца вытянуты, плавник обернут около хвостового конца мантии и отлично прижат к телу – кальмар движется реактивным методом, сопротивление трения снижено до минимума. Разогнавшись косо вверх, моллюски вылетают из воды. Сейчас они максимально расправляют плавники, растопыривают и изгибают руки, растягивая на них перепонку и неожиданно преобразовываясь из «кинутого камня» в «бумажный самолетик». Скорость при этом, разумеется, быстро возрастает (но атмосфера несравненно менее плотен, чем вода) и достигает 9 - 12, быть может, даже 15 м/с, что сравнимо со скоростью полета летучих рыб. Но аэродинамика кальмара, конечно, хуже, чем у летучей рыбы, к тому же он не может маневрировать в воздухе, «ловя ветер», и дополнительно разгоняться в полете, опустив в воду самый кончик удлиненной нижней лопасти хвостового плавника, как это делают летучие рыбы. Исходя из этого дальность полета кальмаров куда меньше, чем у летучих рыб. Но она полностью достаточна, чтобы дезориентировать хищника и спастись. Потеряв скорость, кальмар складывает руки и плавник, «клюет носом», входит в воду и плывёт реактивным методом.
Но плот «Кон-Тики» атаковали не эти кальмары, а крючьеносные (Onychoteuthis banksii), вернее, их молодь — тоже прославленные летуны. А у них перепонки на руках фактически не развиты. Как же они сохраняют устойчивость в полете? Скорее всего они используют треугольные плавательные кили, «ручные плавнички», расположенные на наружных, а не на внутренних сторонах брюшно-боковых рук. Они имеется у всех быстроплавающих кальмаров, а у крючьеносных развиты отлично. При плавании в воде они выполняют функцию стабилизаторов, как хвостовое оперение зенитных ракет. Возможно, они помогают и при полете, в особенности в сочетании с гораздо более большим, чем у индотихоокеанского тропического кальмара, хвостовым плавником. Если это так, то крючьеносный кальмар в полете обязан не растопыривать руки, а наоборот, отлично складывать их.
А с какой скоростью вообще могут плавать кальмары в море? Во многих книгах и статьях, в особенности популярных, можно прочесть, что кальмары — одни из самых «быстроходных» обитателей океана, их именуют «живыми ракетами», «спринтерами моря». Приводимые в разных книгах цифры создают сильное впечатление: 30 - 40, 40 - 55, 72 а также до 90 км/ч. Получается, что в такой плотной среде, как вода, кальмар способен фактически бежать стремительнее зайца или лани (большая скорость зайца-русака 55 - 70, газелей 68 - 80 км/ч), что кальмары могут обгонять акул и тунцов! Эти цифры, но, взяты не из прямых наблюдений, а из расчетов, основанных часто на совершенно произвольных допущениях, в частности на формулах, обрисовывающих перемещение ракеты. Скорость кальмара определяли, исходя из большой скорости реактивной струи воды, вырывающейся из «сопла»-воронки, и давления в «камеры сгорания» — мантийной полости. При этом не учитывалось, что стенки мантии эластичны и давление в мантийной полости, достигнув максимума в момент резкого сокращения мышц, скоро спадает. Значит, средняя скорость выброса воды через воронку много меньше большой. Избыточное давление в мантийной полости тоже, по всей видимости, намного ниже, чем принято в моделях.
Еще в первой половине семидесятых годов прошлого века пару сотрудников Манчестерского университета в которую входили гидромеханики и биолог, создала новую модель пульсирующего реактивного перемещения кальмара. В этой модели кальмар уподобляется резиновой груше, которую движет в воде реактивная сила. Согласно расчетам, кальмар Loligo vulgaris средних размеров (вес 350 г, протяженность 35 - 37 см), даже в предположении, что у сопла-воронки не происходит никаких потерь энергии, может развить большую мгновенную скорость не более 2,06 м/с, т. е. 7,4 км/ч. Мгновенная, или начальная, скорость характеризует перемещение кальмара после единичного импульса — выброса воды. Такой результат может показаться сильно заниженным, в особенности если учесть, что сопротивление идеально ровного обтекаемого тела кальмара куда меньше, чем сопротивление шара. Но экспериментальные данные отлично совпадают с расчетными. Работавший в Италии британский зоолог Э. Паккард фотографировал Loligo vulgaris в аквариуме со стробоскопической вспышкой и взял следующие данные: кальмар длиной 20 см (вес 100 г), прыжок хвостом вперед с места — 208 см/с; длиной 32 см, плавание головой вперед, с места — 176 см/с; длиной 28 см, плавание головой вперед с хода — 210 см/с. Большая скорость кальмаров, которых он следил, — 220 см/с, или 7,9 км/ч.
Такие же результаты были взяты для кальмаров Loligo pealei длиной 25 см, спасавшихся от рыб, — 2 м/с. Автору приходилось следить в Центральной Атлантике стремительных крылоруких кальмаров Sthenoteuthis pteropus, которые хватали блесну на малом ходу судна — около 4 узлов, или 7,4 км/ч; на большей скорости судна кальмары его догнать не могли (а ведь они плавают гораздо стремительнее, чем Loligo). To же самое следил Зуев. Правда, Ч. М. Нигматуллин видел мигрирующие (не кормящиеся) своры крылоруких кальмаров с длиной мантии 25 - 35 см, которые в течение 2 - 5 мин разгонялись до скорости 5 - 10 м/с, или 20 - 35 км/ч, но это, возможно, предел. Устойчивая большая скорость перемещения кальмаров вряд ли существенно превышает 7 - 8 км/ч. Иными словами, кальмар плывет не со скоростью бегущего зайца, а всего лишь со скоростью совершенно скоро идущего человека.
К. Несис