Почему мягкие кораллы пульсируют?

Ученые из Еврейского университета в Иерусалиме и Техниона – Израильского технологического института в Хайфе – смогли разгадать старую научную тайну, почему кораллы Heteroxenia пульсируют. Эти мягкие коралловые из семейства Xeniidae представляют увлекательное и захватывающее зрелище и поэтому являются одной из ярких достопримечательностей Эйлата. Heteroxenia (Heteroxenia fuscescens) выглядят как небольшие букеты цветов, которые элегантно раскрывают и закрывают свои лепестки. Аналогов такого поведения в животном мире не существует.

Элегантные движения Heteroxenia привлекают внимание исследователей на протяжении вот уже почти 200 лет. Каждый «цветок» на самом деле это живой полип, основной блок которого включает в себя колонии кораллов. За исключением медуз, которые во время плавания совершают характерные пульсирующие движения, никакие другие водные животные подобного не практикуют. Пульсации достаточно энергозатратны, и, следовательно, должна быть разумная польза для оправдания такого рода движений.

Пульсирующие движения медуз позволяют им передвигаться, охотиться и питаться. Естественным объяснением было бы то, что Heteroxenia также используют свои движения для охоты и питания, однако некоторые исследования показывают, что эти кораллы не охотятся на других животных вообще. Если хищничество не является причиной для совершения пульсаций, должно быть другое объяснение, чтобы оправдать существенные энергетические затраты Heteroxenia.

Израильские ученые нашли ответы на эти вопросы во время проведения совместного исследования, финансируемого Национальным научным фондом. После просмотра нескольких колоний коралловых с помощью подводной инфракрасной камеры, исследователи сделали удивительное открытие: кораллы Heteroxenia перестают пульсировать, ежедневно делая получасовой перерыв во второй половине дня. На данном этапе причины такой "сиесты" остались необъясненными.

В лабораторных условиях профессора Генин и Шавит изучили взаимодействие биологических процессов водных обитателей и движений воды, которая их окружает. Видимо, водные животные влияют на поток и в то же время абсолютно зависят от этого потока. Чтобы раскрыть тайну Heteroxenia, исследовательская группа разработала подводный измерительный прибор под называнием PIV, который позволяет измерять силу потока воды только вокруг коралловые с высокой точностью. Прибор состоит из двух мощных лазеров, системы захвата изображений и вычислительной системы.

Специальный набор линз создает короткие, мощные импульсы света, так что система может захватить пару снимков природных частиц, движущихся с потоком. Вычислительная система выполняет математический анализ пары фотографий, сверяясь с огромной базой данных, одновременно рассчитывая скорость потока, характеристики переноса растворенных веществ и интенсивность турбулентного перемешивания.

Измерения проводились в ночное время при поддержке дайверов-добровольцев. Было обнаружено, что если дайвер слегка коснулся кораллов, полипы "закрываются" и остаются неподвижными в течение нескольких минут, после чего снова возвращаются к своей нормальной пульсации. Исследователи использовали это поведение так, чтобы многократно измерить поле вокруг Heteroxenia во время пульсаций и отдыха.

Эти измерения привели к следующему открытию. Анализы направлений потока воды показали, что пульсирующие движения эффективно выталкивают воду вверх. Кораллы нуждаются в двуокиси углерода в дневное и в кислороде в ночное время, а также им требуются питательные вещества (например, фосфат и азот) в течение дня и ночи. Одна из проблем для коралловых колоний – это своевременное поступление веществ первой необходимости за счет эффективного смешивания воды вокруг них.

С помощью сложной измерительной системы исследователи вычислили интенсивность перемешивания воды в результате пульсаций кораллов. Неожиданно выяснилось, что движения полипов не скоординированы (т.е. каждый полип начинает свой период движения в разное время). Накопленный эффект деятельности полипов заключается в значительном усилении потока вокруг колонии, особенно в верхних слоях, что снижает вероятность повторной фильтрации той же воды.

Однако полученные сведения по-прежнему еще не дели ответ на вопрос, почему коралловые вкладывают так много энергии, чтобы перемещать свои щупальца. Предполагается, что пульсирующие движения повышают скорость фотосинтеза коралла. Без движения воды концентрация кислорода в тканях коралловых возрастает и скорость фотосинтеза падает.

Результаты данного исследования показывают, что пульсирующие движения являются высоко эффективным средством перемешивания растворенного вещества между телом и окружающей средой. Эти два процесса (выталкивание и смешивание растворов) может в будущем применяться в технике и медицине. В настоящее время исследовательская группа делает упор на попытки расширить результаты этого исследования и на разработке математических моделей, которые могли бы служить различным прикладным целям.