Введение

Газовый орган, способствующий способности рыбы контролировать плавучесть. Плавательный пузырь, газовый пузырь, рыбный пузырь или воздушный пузырь – это внутренний газовый орган, который помогает многим костным рыбам (но не хрящевым рыбам) контролировать свою плавучесть и, таким образом, оставаться на определенной глубине без затрат энергии на плавание. Кроме того, дорсальное положение плавательного пузыря означает, что его расширение смещает центр тяжести вниз, позволяя ему служить стабилизатором у некоторых видов. Помимо этого, плавательный пузырь функционирует как резонансная камера для производства или приема звука. Плавательный пузырь эволюционно гомологичен легким четвероногих и двоякодышащих рыб. Чарльз Дарвин отметил это в своей книге «О происхождении видов», предположив, что легкие у наземных позвоночных произошли от более примитивного плавательного пузыря как специализированная форма энтерального дыхания. На эмбриональных стадиях некоторые виды, например, красногубый спинорог, вновь теряют плавательный пузырь, чаще всего это донные рыбы, такие как погоныш. Другие рыбы, такие как опох и ставрида, используют грудные плавники для плавания и балансируют вес головы, чтобы удерживать горизонтальное положение. Морской ерш, обычно обитающий на дне, может использовать грудные плавники для создания подъемной силы во время плавания. Газово-тканевый интерфейс в плавательном пузыре создает сильное отражение звука, которое используется в сонарном оборудовании для обнаружения рыб. Хрящевые рыбы, такие как акулы и скаты, не имеют плавательных пузырей. Некоторые из них могут контролировать глубину только за счет плавания (используя динамическую подъемную силу), другие накапливают жиры или масла с плотностью ниже плотности морской воды для достижения нейтральной или почти нейтральной плавучести, которая не меняется с глубиной.

Структура и функция

Плавательный пузырь обычно состоит из двух заполненных газом мешков, расположенных в спинной части рыбы, хотя у нескольких примитивных видов есть только один мешок. Его стенки гибкие и сокращаются или расширяются в зависимости от окружающего давления. Стенки плавательного пузыря содержат очень мало кровеносных сосудов и выстланы кристаллами гуанина, которые делают их непроницаемыми для газов. Регулируя орган, нагнетающий газ, с помощью газовой железы или овального окна, рыба может достичь нейтральной плавучести, а также подниматься и опускаться на значительные глубины. Благодаря своему спинному расположению, плавательный пузырь обеспечивает рыбе боковую устойчивость. У рыб с физостомозным плавательным пузырем сохраняется связь между плавательным пузырем и кишечником посредством пневматического канала, позволяющего рыбе наполнять плавательный пузырь, "заглатывая" воздух. Избыток газа может быть удален аналогичным образом. У более продвинутых видов рыб (физоклистов) связь с пищеварительным трактом утрачена. На ранних стадиях жизни эти рыбы должны подниматься на поверхность, чтобы наполнить свои плавательные пузыри; на более поздних стадиях пневматический канал исчезает, и газовая железа должна вводить газ (обычно кислород) в плавательный пузырь, чтобы увеличить его объем и, следовательно, плавучесть. Этот процесс начинается с подкисления крови в rete mirabile, когда газовая железа выделяет молочную кислоту и производит углекислый газ, последний из которых подкисляет кровь через бикарбонатную буферную систему. Полученная кислотность приводит к тому, что гемоглобин крови теряет кислород (эффект Рута), который затем частично диффундирует в плавательный пузырь. Перед возвращением в организм кровь вновь входит в rete mirabile, и в результате практически весь избыток углекислого газа и кислорода, производимый в газовой железе, диффундирует обратно в артерии, снабжающие газовую железу, через контртоковый мультипликационный цикл. Таким образом, можно получить очень высокое давление кислорода, которое может даже объяснить присутствие газа в плавательных пузырях глубоководных рыб, таких как угорь, требующее давления в сотни бар. В другом месте, в аналогичной структуре, известной как "овальное окно", плавательный пузырь контактирует с кровью, и кислород может снова диффундировать обратно. Вместе с кислородом в плавательном пузыре выпадают в осадок другие газы, что также объясняет высокое давление других газов. Состав газов в плавательном пузыре варьируется. У мелководных рыб соотношение близко к атмосферному, в то время как у глубоководных рыб, как правило, более высокий процент кислорода. Например, у угря Synaphobranchus наблюдается 75,1% кислорода, 20,5% азота, 3,1% углекислого газа и 0,4% аргона в его плавательном пузыре. Плавательные пузыри физиоклистов имеют один важный недостаток: они препятствуют быстрому подъему, так как плавательный пузырь может лопнуть. Физостомы могут "выпускать" газ, хотя это усложняет процесс повторного погружения. Плавательный пузырь у некоторых видов, в основном пресноводных рыб (карп, сомы, амиа), взаимосвязан с внутренним ухом рыбы. Они соединены четырьмя костями, называемыми веберовыми косточками веберовского аппарата. Эти кости могут передавать вибрации в саккулу и лагену. Они приспособлены для обнаружения звука и вибраций благодаря своей низкой плотности по сравнению с плотностью тканей тела рыбы. Это повышает способность к обнаружению звука. Плавательный пузырь может излучать звуковое давление, что помогает повысить его чувствительность и расширить диапазон слуха. У некоторых глубоководных рыб, таких как антиморы, плавательный пузырь может также быть связан с макулой саккулы, чтобы внутреннее ухо получало ощущение от звукового давления. У краснобрюхой пираньи плавательный пузырь может играть важную роль в производстве звука как резонатор. Звуки, издаваемые пираньями, генерируются быстрыми сокращениями звуковых мышц и связаны с плавательным пузырем. Считается, что у телеостей отсутствует ощущение абсолютного гидростатического давления, которое можно использовать для определения абсолютной глубины. Однако предполагается, что телеосты могут определять свою глубину, ощущая скорость изменения объема плавательного пузыря.

Рефлексивность сонара

Плавательный пузырь рыбы способен сильно отражать звук подходящей частоты. Сильное отражение возникает, если частота соответствует объёмному резонансу плавательного пузыря. Это можно рассчитать, зная ряд характеристик рыбы, в частности, объём плавательного пузыря, хотя общепринятый метод требует поправочных коэффициентов для газоносного зоопланктона, когда радиус плавательного пузыря составляет менее 5 см. Это важно, поскольку рассеяние сонара используется для оценки биомассы коммерчески важных и имеющих экологическое значение видов рыб.

Глубокий рассеивающий слой

Операторы сонара, использовавшие новую технологию сонара во время Второй мировой войны, были озадачены тем, что казалось ложным морским дном глубиной 300–500 метров днем и меньшей глубиной ночью. Это оказалось связано с миллионами морских организмов, в особенности мезопелагическими рыбами с плавательными пузырями, отражавшими сигнал сонара. Эти организмы мигрируют в мелководье на закате, чтобы питаться планктоном. Слой становится глубже при лунном свете и может становиться мельче, когда луну закрывают облака. Большинство мезопелагических рыб совершают ежедневные вертикальные миграции, перемещаясь ночью в эпипелагическую зону, часто следуя аналогичным миграциям зоопланктона, и возвращаясь в глубины для безопасности днем. Эти вертикальные миграции часто происходят на значительных вертикальных расстояниях и осуществляются с помощью плавательного пузыря. Плавательный пузырь надувается, когда рыба хочет подняться вверх, и, учитывая высокое давление в мезопелагической зоне, это требует значительных затрат энергии. По мере подъема рыбы давление в плавательном пузыре должно регулироваться, чтобы предотвратить его разрыв. Когда рыба хочет вернуться в глубину, плавательный пузырь сдувается. Некоторые мезопелагические рыбы совершают ежедневные миграции через термоклину, где температура меняется на 10–20 °C, демонстрируя тем самым значительную устойчивость к перепадам температуры. Отбор проб глубоководным тралением показывает, что на рыбу-миногу приходится до 65% всей биомассы глубоководных рыб. Действительно, рыбы-миного являются одними из наиболее широко распространенных, многочисленных и разнообразных позвоночных, играя важную экологическую роль в качестве добычи для более крупных организмов. Оценочная глобальная биомасса рыб-миног составляет 550–660 миллионов тонн, что в несколько раз превышает годовой мировой вылов. Рыбы-миного также составляют значительную часть биомассы, ответственной за глубокий рассеивающий слой мирового океана. Сонар отражается от миллионов плавательных пузырей рыб-миног, создавая иллюзию ложного дна.

Использование человеком

В восточноазиатской кулинарной сфере плавательные пузыри некоторых крупных рыб считаются деликатесом. В китайской кухне они известны как рыбьи пузыри, 花膠/鱼鳔, и подаются в супах или тушеных блюдах. Высокая цена редких плавательных пузырей является причиной неминуемого вымирания вакиты – самого маленького вида морских свиней в мире. Вакиты, обитающие исключительно в Мексиканском заливе Калифорния, когда-то были многочисленны, но сейчас находятся на грани исчезновения. Вакиты гибнут в жаберных сетях, предназначенных для ловли тотоабы (крупнейшей рыбы семейства барабушковых). На тотоабу охотятся до полного исчезновения ради ее плавательного пузыря, который может стоить до 10 000 долларов за килограмм. Плавательные пузыри также используются в пищевой промышленности как источник коллагена. Из них можно приготовить прочный водостойкий клей или использовать для получения осветляющего вещества для пива (изингаласа). Ранее их также использовали для изготовления презервативов.

Болезнь плавательного пузыря

Болезнь плавательного пузыря – распространенное заболевание у аквариумных рыб. Рыба с заболеванием плавательного пузыря может плавать носом вниз, а хвостом вверх, или подниматься к поверхности воды, или опускаться на дно аквариума.

Риск травмы

Многие антропогенные факторы, такие как забивание свай или даже сейсмические волны, могут создавать звуковые волны высокой интенсивности, вызывающие внутренние повреждения рыб, имеющих газовый пузырь. Physoclisti не способны достаточно быстро избавляться от воздуха из газового пузыря – органа, наиболее восприимчивого к звуковым повреждениям, что затрудняет их спасение от серьезных травм. Physostomes, напротив, могут достаточно быстро выпускать воздух из газового пузыря, чтобы защитить его; однако они не могут снизить давление в других жизненно важных органах и, следовательно, также уязвимы к повреждениям. К распространенным травмам относятся разрыв газового пузыря и почечное кровоизлияние. Эти повреждения в основном влияют на общее состояние здоровья рыб, но не на уровень смертности.

Сходные структуры в других организмах

У сифонофоров есть специальный газовый пузырь, позволяющий этим колониям, похожим на медуз, держаться на поверхности воды, опуская вниз свои щупальца. Этот орган не связан с плавательным пузырем у рыб.