В недавней статье, опубликованной в PLOS One, профессор физики Университета Сент-Луиса Жан Потвин, доктор философии, и биолог Александр Верт, доктор философии. в Хэмпден-Сиднейском колледже впервые подробно описывают, как усатые киты используют фильтрацию с поперечным потоком, чтобы отделить добычу от воды, даже не вступая в контакт с усом. Китовый ус представляет собой гребенчатые кератиновые пластинки, заменившие зубы предков китов около 30 миллионов лет назад и играющие роль фильтрующей поверхности в их пасти. Исследователи изучили, как этот тип кормления влияет на сопротивление кита, когда он движется в воде, и как эта форма фильтрации усиливается за счет большого размера тела.
Ученые надеются, что более глубокое понимание того, как питаются эти водные млекопитающие, прольет свет на то, как киты эволюционировали до огромных размеров, наблюдаемых сегодня. Это новое знание также поможет усилиям по сохранению китов, большинство из которых являются вымирающими видами.
«Как физик я сотрудничаю с биологами и палеонтологами», - сказал Потвин. «Мы изучаем физику различных механизмов питания, используемых китами, такими как горбатые, синие и гладкие киты. Одним из практических аспектов этого исследования является определение того, сколько пищи им нужно. Для самых крупных видов пищей является криль и веслоногие рачки. Поскольку изменение климата и эксплуатация человека в настоящее время влияют на доступность добычи, ученые задаются вопросом, как киты будут приспосабливаться к возможной нехватке пищи или географическим перемещениям, которые могут возникнуть. тратить в течение всего года на добычу и переваривание пищи, поможет ответить на этот вопрос.
Синие киты, например, питаются миллионами криля, которые собираются большими участками, во многих случаях участками, которые больше, чем сами киты. Это позволяет китам вырастать до огромных размеров. Эти киты - самые крупные животные. которые когда-либо жили на Земле - они крупнее большинства динозавров. Они поглощают воду и добычу, а затем отфильтровывают то, что им не нужно, через пластины китового уса.
Мы еще многого не понимаем в отношении фильтрации усами, особенно в том, что касается детальной физики. Синие киты бросаются к участку с добычей и широко раскрывают рот, чтобы поймать как можно больше добычи. При этом они поглощают огромное количество воды, которую необходимо отфильтровать сразу же после закрытия пасти. Синие киты поглощают эквивалент своей массы, что для кита длиной 90 футов составляет сто тонн воды. много воды, чтобы вымыть изо рта Это делается после поимки добычи, когда мышцы живота кита напрягаются, чтобы протолкнуть воду через китовый ус, мимо губ и изо рта. Это сложный процесс, большая часть которого находится вне поля зрения. Это оставляет ученым очень мало сведений о том, как работает процесс фильтрации, происходящий внутри».
В своей текущей статье Потвин и Верт изучили другой тип усатых китов, гладких китов, которые предлагают более простую версию фильтрации усами. У китов есть система китового уса, похожая на систему синих китов, но с более длинными пластинами китового уса. Но в отличие от своих дальних родственников синих китов, гладкие киты не бросаются и не ловят добычу, как хищник. Вместо этого они скользят по воде с открытым ртом, собирая пищу в гораздо более медленном темпе, эффективно питаясь, как травоядные. Этот процесс также более заметен, так как выполняется с частично открытым ртом. И из-за этого скользящего движения поток воды, движущийся через систему усовых усов, проще математически смоделировать, чем потоки, происходящие внутри закрытой пасти синего кита..
Киты питаются мелкой добычей, называемой копеподами, размером с рисовое зерно.
«Весоногие раки также тусуются большими пятнами», - сказал Потвин. «Киты открывают рот, проплывая через пятно, эффективно скользя сквозь него, подобно саку, ловящему бабочек. Китовый ус снова действует как фильтрующая поверхность, но веслоногие рачки меньше, чем пространство между китовыми усами, поэтому процесс фильтрации должен отличаться, например, от стекания макарон через сито.
Вместо этого используется поперечная фильтрация, при которой большая часть воды проходит через китовый ус и выходит изо рта, но добыча направляется прямо к задней части рта, где она все время проглатывается. никогда не вступая в контакт с китовым усом. Копеподы в основном представляют собой пищевую кашу к тому времени, когда они достигают пищевода кита.
"Люди разработали перекрестную фильтрацию в процессе виноделия, чтобы удалять частицы, образующиеся в процессе производства, без необходимости частой очистки фильтрующей поверхности. Конечно, Мать-Природа знала о перекрестной фильтрации задолго до нас."
Это первая работа в этой области, которая показывает, как это можно сделать для усатых китов с помощью моделирования и данных, говорит Потвин.
«Это исследование того, как вода течет через рот с точки зрения скорости и давления, и как это приводит к сопротивлению, создаваемому открытым ртом», - сказал Потвин. «Когда эти киты открывают рот, сопротивление воды увеличивается из-за течения внутри. Это повлияет на то, сколько энергии киту нужно потратить, чтобы накормить себя. Мы можем рассчитать сопротивление. Я думаю, это большой шаг.
Еще одна вещь, которую этот анализ позволяет вам сделать, это вернуться к вопросу о размере тела. Этот тип фильтрации с поперечным потоком лучше всего работает с большими размерами тела. Южные киты имеют длину около 50 футов. Наш анализ показал что, конечно же, этот режим становится более эффективным при большем размере тела.
"Чем больше фильтр, тем медленнее вода проходит через фильтр. Это снижает скорость засорения, а также сопротивление. Если вода проходит через систему китовых усов слишком быстро, она уносит с собой большую часть добычи, тем самым позволяя веслоногим убежать и со временем засоряя фильтр. Чем больше поверхность фильтра, тем медленнее поток из фильтра на уровне пор. Этот процесс аналогичен реке, впадающей в залив: более быстрый речной поток - эквивалент воды, поступающей в рот кита, - всегда будет замедляться при входе в залив, потому что он всегда шире, что эквивалентно потоку воды, проходящему через рот кита. усатый."
Это моделирование дает ответы на некоторые ключевые вопросы о кормлении, которые помогут ученым понять, как лучше всего защитить китов, поскольку их среда обитания меняется из-за глобального потепления и деятельности человека в океанах.
В своем следующем проекте Потвин обратит внимание на физику того, как киты плавают и маневрируют в воде.
Благодаря недавнему гранту в размере 800 000 долларов США от Национального научного фонда (NSF), Потвин и его коллеги будут собирать данные о плавательных привычках голубых китов и горбатых китов в дикой природе, используя дроны и электронные метки. Потвин и Университет Сент-Луиса получили 232 634 доллара на финансирование своей части трехлетнего исследования.
«В августе у нас будет большая экспедиция возле Нормандских островов у побережья Санта-Барбары, Калифорния, по мечению синих китов», - сказал Потвин. «Вероятно, мы увидим одну из самых высоких концентраций синих китов в мире. Мы надеемся получить много данных из этой поездки».
Экспедицию возглавят коллеги из Морской станции Хопкинса Стэнфордского университета, которые будут использовать специально разработанные цифровые метки для измерения скорости и ускорения китов, а также записывать видео маневров и встреч с добычей.
«Исследователи обычно подкрадываются к киту, когда он всплывает на поверхность, чтобы глотнуть воздуха, и пытаются прикрепить метку к животному с помощью присосок», - сказал Потвин. «Есть кусок металла, который растворяется через несколько часов после прикрепления и освобождает присоски. Затем пакет всплывает на поверхность, и установленный маяк помогает биологам найти и извлечь метку для загрузки данных».
С новыми данными Потвин сможет провести вычислительное моделирование гидродинамики в Университете Сент-Луиса, чтобы узнать больше о том, как эти киты маневрируют, чтобы поймать добычу, избежать хищников и препятствий и соревноваться за партнеров.