Гидродинамика в биологии и в простейшей медицинской аппаратуре

Чтобы помочь читателям лучше разобраться в предлагаемом материале, напомним некоторые положения гидродинамики.

1. Уравнение неразрывности струи:

Если жидкость движется по системе трубок различного сечения, то скорость ее движения обратно пропорциональна площади сечения трубы (рис. 7).

Рис. 7. Движение жидкости в трубке с переменным сечением

2. Давление, оказываемое движущейся жидкостью, обратно пропорционально скорости ее движения. Эта зависимость является следствием уравнения Бернулли, которое математически выражается так:

где р — плотность жидкости, V — скорость движения жидкости, р — гидростатическое давление.

Гидродинамика в мире животных. Природа часто стремится навязать любому органу дополнительные, не свойственные ему функции. Как ни специфичны задачи сердечно-сосудистой системы, даже она не избежала этой участи: уж слишком заманчиво было использовать давление, существующее внутри кровеносной системы.

Известно, что значительное повышение кровяного давления (гипертония) очень опасно для организма, так как может вызвать разрушение системы, разрывы кровеносных сосудов. Кровь при этом изливается в какой-либо орган. Это угрожает здоровью и даже жизни человека. Некоторые же животные приспособились вызывать гипертонию в своих интересах. Жабовидная ящерица, обитающая в мексиканских пустынях, использует местную гипертонию в сосудах головы для обороны.

Кровь, заполняя под большим, чем обычно, давлением гребни, шипы и иные выросты на голове и других частях тела, заставляет их увеличиваться в размерах, выпрямляться, менять окраску и тем самим придает животному устрашающий вид. Более того, в минуту особой опасности специальный мускул зажимает один из кровеносных сосудов, что приводит к резкому повышению давления в кровеносных сосудах головы.

При этом мелкие сосудики в мигательной перепонке глаз не выдерживают и лопаются — кровь выбрызгивается из глаз навстречу врагу. Это оружие действует в радиусе примерно 1,5 м. Устрашающий вид и неожиданный душ часто обращают в бегство грозных врагов (рис. 8).

Рис. 8. Жабовидная ящерица повергает в бегство своих врагов

Повышение давления с помощью запирательного мускула способствует линьке. Рептилии растут всю жизнь. Постепенно одежка становится тесной для них и возникает необходимость в ежегодной смене ее. Когда приходит время сбросить старую кожу, запирательный мускул зажимает кровеносные сосуды, идущие от головы. Давление в сосудах головы повышается, все кровеносные сосуды переполняются кровью и голова раздувается до тех пор, пока старая кожа на ней не лопнет. Ящерица выползает из своей старой шкуры через образовавшееся отверстие, как из ворота комбинезона.

При увеличении давления крови в полостях и межтканевых пространствах значительно повышается механическая прочность тканей. Это привело к созданию очень удобного гидростатического скелета: он может создаваться только на тот период, когда нужен. (Человек стал использовать аналогичные конструкции в технике лишь в XX веке). Такой скелет для животных очень удобен: он создается на тот период, когда нужен, а когда потребность в нем исчезает, давление в системе понижается и от скелета не остается и следа. Природа пронесла это гидродинамическое устройство через всю эволюцию животного мира— от самых примитивных существ до человека включительно.

Гидродинамические устройства используются и для выполнения двигательных функций. Например, такие устройства имеются в конечностях пауков. Сгибание конечностей у этих восьминогих существ, каждая лапка которых состоит из 6—7 члеников, происходит за счет сокращения специальных мышц, а разгибание— за счет повышения давления жидкости внутри конечностей. Большое значение имеют гидродинамические устройства у ряда животных для рытья нор.

Так, земляной червь при рытье норы во влажной земле максимально сокращает кольцевую мускулатуру своего переднего головного конца, превращая его почти в острое тело, и ищет малейшую щель между частицами земли. Если это не удается, червь начинает забивать в землю передний свой конец, ударяя по нему изнутри глоткой, которая приводится в движение с помощью гидродинамического устройства. Повышение давления на 0,9 мм рт. ст. позволяет наносить удары с силой 0,085 н. Внедрившись хоть немного в землю, червь повышает давление в самой передней части тела, расширяя ее, а вместе с ней и проделанное отверстие. Еще энергичнее действуют сипункулиды, доводящие при рытье нор давление до 52 мм рт. ст.

К числу достаточно совершенных гидродинамических устройств относится двигательный аппарат иглокожих, который особенно хорошо развит у морских звезд и ежей, офиур и многих голотурий. Лучи морских звезд пронизаны симметрично расположенными лучевыми каналами, наполненными водянистой жидкостью.

Веточки, отходящие от каналов, проникают в каждую из крохотных мускульных ножек, расположенных в нижней, ротовой, стороне лучей. Жидкость нагнетается в ножки, которые при этом сильно набухают, вытягиваются вперед по направлению движения и с помощью присосок прикрепляются к грунту, после чего мускулатура ножек сокращается, выталкивая жидкость из каналов и подтягивая звезду вперед.

Мы рассмотрели только некоторые примеры гидродинамики в мире животных. Те читатели, которые увлекаются биологией, могут значительно увеличить их число.