21. januára 2020
Hlbokomorské ryby

Prečo hlbokomorské ryby neprasknú


(Nadpis je otázka od Cyrila)

(Ako bonus sa dozviete aj to, prečo vás v lietadle bolia uši a prečo ryby smrdia.)

Ak ste sa niekedy skúšali potápať v hlbšom bazéne alebo v jazere či mori, pravdepodobne ste ušiach ucítili pomerne ostrú bolesť. Čo sa to dialo? Ušné bubienky sa vám snažili prasknúť (smerom do hlavy).

Bežne žijeme v tlaku 1 atmosféry, čiže asi 100 000 Pascalov, a tomu sú prispôsobené naše telá. Tlak vzduchu sa mení s výškou – bežne to pociťujeme napríklad pri lete lietadlom, alebo vo výťahoch v mrakodrapoch. Ak by ste sa nadýchli vo výške 1 kilometra a zrazu sa, so zatajeným dychom, ocitli na úrovni mora, cítili by ste tlak na hrudi (tlak vzduchu vonku by bol o 10% väčší ako v pľúcach).

Toto sa samozrejme bežne nedeje, keďže počas letu/výstupu dýchame a tak sa pravidelne rozdiel tlakov vyrovnáva. To však neplatí o všetkých častiach tela – napríklad vnútorné ucho je viac-menej izolované, tlak v ňom sa nevyrovnáva s okolím. Keď dôjde k rýchlej zmene, nastane na bubienkoch nerovnováha. Dochádza ich nafukovania (napätie v blane vykrýva rozdiel tlakov) a to bolí. Ako to zastaviť?

Vnútorné ucho je prepojené s nosnou dutinou cez Eustachovu trubicu. Tá sa mierne pootvorí napríklad pri prežúvaní alebo prehĺtaní a umožní vyrovnanie tlakov. (Alternatívne funguje aj nadýchnuť sa, zapchať si nos, zatvoriť ústa a opatrne skúsiť vydýchnuť – zvýšený tlak trubicu pootvorí.)

Na vzduchu s tlakom nie je veľký problém – na úrovni mora je (zhruba) 1 atmosféra, na vrchole Mt. Everestu asi 1/3 atmosféry – a inde niečo medzi tým.

Problém je však vo vode.

Ak sa ponoríme do hĺbky 10 metrov, tlak vody je 1 atmosféra (k tomu treba pripočítať 1 atmosféra vzduchu nad vodou).

Ponorili sme sa do hĺbky 10 metrov, čo zvládne kdejaký amatér so šnorchlom, a rozdiel v tlaku je väčší, ako keby sme vyšli na najvyššiu horu sveta! A čo viac, každých ďalších 10 metrov pribudne ďalšia jedna atmosféra. V hĺbke 1000m je tak 100-násobný tlak oproti povrchu, v hĺbke 10 000 metrov dokonca 1000-násobný! Ako sa to dá prežiť?

Tlak spôsobuje problémy rôzne.

Bežný človek tlačí nohami na Zem asi ako 1/5 atmosféry. Ak sa postavíte na rajčinu, rozpučíte ju. Ak ponoríte rajčinu do hĺbky 2 metrov, čomu odpovedá zhruba takýto tlak, nič sa jej nestane. Prečo? Lebo tlak na ňu tlačí rovnako zo všetkých strán. To však nie je všetko.

Ak sa nadýchnete na povrchu a ponoríte do hĺbky 10 metrov, medzi tlakom v hrudi a vo vode vzniká rozdiel zhruba 1 atmosféry. Cítite, ako sa vám voda snaží stlačiť hrudný kôš. Ak sa ponoríte o ďalších pár desiatok metrov, ide o poriadnu bolesť … vedci (z logických dôvodov) nepoznajú presnú hĺbku, kedy pľúca implodujú, rekordy v hĺbkovom ponáraní sú cez 100 metrov, do hĺbky pol kilometra sa dá zostúpiť len pomocou špeciálneho vybavenia na udržiavanie tlaku.

Niektoré cicavce sa s tým však dokážu vyrovnať – tuleňom či veľrybám pľúca, úplne alebo čiastočne jednoducho, spľasnú – ich hrudné koše sú na to stavané.

Ako zabrániť spľasnutiu nádoby pod obrovským tlakom? Jednoducho – stačí ju naplniť niečim netlačiteľným – napríklad vodou.

Ryby a iné morské príšerky tak nemajú vo vode problémy vzduch-dýchajúcich organizmov – ich telá sú pri rovnomernom aplikovaní tlaku pomerne nestlačiteľné (ak ste zlý človek a dupnete na malú rybku, rozpučí sa – lebo je tlak nerovnomerný a nedochádza k stlačeniu, ale k deformácii). Aj toto má však svoje limity – tlaku musia odolávať aj tkanivá a látky v telách rýb.

Tlak stoviek atmosfér totiž vplýva aj na chemikálie, napríklad proteíny, v telách rýb a morských živočíchov. Tie sú chránené látkou Trimetylamín-N-oxid (TMAO), čím hlbšie žijú, tým viac jej majú. Zároveň táto látka pomáha udržiavať nerovnováhu medzi slanosťou vody (okolo 3%) a vnútorného prostredia rýb (okolo 1%).

(Kulinárska poznámka bokom. Po smrti ryby začnú baktérie a enzýmy meniť TMAO na trimetylamín, TMA, ktorý má typický rybací zápach. Preto sladkovodná ryby cítiť menej (TMAO nepotrebujú na kontrolovanie slanosti) a hlbokomorské ryby cítiť viac (potrebujú ho aj na boj s tlakom). Bežne sa pachu dá čiastočne zabrániť umytím ryby a aplikovaním niečoho kyslého (citrón alebo ocot). Sladkovodné ryby občas páchnu “po bahne”, čo je zas spôsobené chemikáliami geosmín a methylisoborneol, ktoré sú produktom siníc. Aj na tieto zaberá kyslé prostredie. Koniec kulinárskej poznámky.)

Znamená to, že pumpovaním ďalšieho TMAO dokážu ryby prežiť hocijaký tlak? Nie – tu zas existujú fyziologické limity, osmotický tlak začne poškodzovať ostatné orgány (podobne ako nám škodí veľa soli). Podľa výpočtov umožní maximálna prežiteľná koncentrácia tejto látky prežiť rybám hĺbku až 8.2 kilometra (tlak 800 Atm!) – a to je aj hĺbka, kde sa bežne ryby dajú nájsť.

Hĺbka Mariánskej priekopy je však až 11 kilometrov a život na jej dne by potreboval ešte nejakú extra fintu, aby tlak vydržal.

Skúmať život v takýchto podmienkach je veľmi zložité. Ľudia a vzduch-obsahujúce-ponorky musia odolávať obrovskému tlaku, ináč dôjde k implózii. Možno vám napadlo, že prečo hlbomorské ryby nevytiahneme niekde vyššie a neskúmame ich tam – no bežne platí, že ich telá sú tak prispôsobené na vysoký tlak, že nižší tlak neprežijú! Hlboké oceány tak stále obsahujú mnohé tajomstvá a výzvy.

[Samuel]

PS: Na obrázku je akvarijná “Bubble Eye” rybička, ktoré teda nie je dobrý príklad k obsahu článku (keďže pretlak spôsobuje implóziu, nie explóziu), no kvôli jej výzoru som proste nevedel odolať.

Prečo uši bolia pod vodou
https://www.wired.com/2010/03/why-do-your-ears-hurt-underwater/

Vyrovnávanie tlaku pri potápaní
https://www.yachtmeni.cz/freediving-apnea/vyrovnavani-tlaku/

Kalkulačka na tlak
http://docs.bluerobotics.com/calc/pressure-depth/

Tlak ľudskej (a slonej) nohy
http://www.physicscentral.com/experiment/askaphysicist/physics-answer.cfm

Ako sa potápajú morské cicavce
https://www.smithsonianmag.com/smart-news/sea-lions-deliberately-collapse-their-lungs-so-they-can-dive-deeper-42730730/

https://www.scientificamerican.com/article/how-do-deep-diving-sea-cr

Prečo smrdia ryby
https://nutrition.org/is-fish-smelly/

Bubble Eye fish
https://en.wikipedia.org/wiki/Bubble_Eye

TMAO
https://en.wikipedia.org/wiki/Trimethylamine_N-oxide

Ako prežijú hlbokomorské zvery
https://news.nationalgeographic.com/2017/11/deepest-sea-fish-identified-snailfish-pseudoliparis-swirei-spd/

https://gizmodo.com/worlds-deepest-living-fish-found-five-miles-beneath-the-1820832119

Pridaj komentár