Скаты. Глядя на них, ни о чем больше и думать невозможно, кроме как об их подводном полете и дивных крыльях, разве что об электрической батарее, если скат генерирует разряд. Однако нашлись люди, заинтересовавшиеся его скелетом.
Скаты и акулы — неутомимые и быстрые пловцы, и нагрузка на скелет у них колоссальная. Интересно, как хрящевой скелет выдерживает такое напряжение, если материал, из которого он состоит, мягче кости. Кроме того, в состав костной ткани входят специальные клетки, остеобласты и остеокласты, которые по мере необходимости подновляют ее и убирают поврежденные участки, а хрящ восстанавливается гораздо хуже. Несмотря на это, хрящевые рыбы явно не страдают от отсутствия костей.
Секреты прочности скелета скатов выясняли американские ученые Лаура Макесик (Laura Macesic) из колледжа Маунт Хольок (Mount Holyoke College) и Адам Саммерс (Adam Summers) из Университета Вашингтона (University of Washington). Они исследовали структуру проптеригиев — удлиненных первых лучей брюшных плавников ската. Скаты плавают, волнообразно изгибая грудные плавники, которые у этих рыб срослись с боками тела и головы. Однако питается подавляющее большинство видов не в толще воды, а на грунте.
Чтобы поймать добычу, они должны накрыть ее своим телом и прижать ко дну. Обычно скаты затаиваются на грунте, подкарауливая жертву, а в момент броска резко отталкиваются обоими брюшными плавниками одновременно. Основной упор при этом приходится на проптеригии, которые выполняют функции рычага. Естественно, чтобы справиться с этой ролью, хрящи должны быть достаточно жесткими и не изгибаться, когда скат ими отталкивается.
Ученые работали с пятью видами рыб. Два из них, малый электрический скат Narcine bancroftii и летний американский скат Raja eglanteria, используют свои брюшные плавнички как шест, не помогая себе при этом грудными плавниками. Желтый скат Urobatis jamaicensis и атлантический скат Dasyatis sabina, отталкиваясь, взмахивают крыльями, что, однако, не делает их бросок сильнее или дальше, чем у N. bancroftii и R. eglanteria. Сле-довательно, их брюшные плавники не столь мощны и нуждаются в дополнительной помощи. И, наконец, пелагический скат Pteroplatytrygon violacea принадлежит к тем немногим видам, которые вообще не охотятся у дна и проводят жизнь в толще воды.
Из рыбин (по пять экземпляров каждого вида) извлекали левый и правый проптеригии, тщательно очищали и измеряли прочность хрящей на изгиб. Оказалось, у скатов, которые при отталкивании не пользуются грудными плавниками, проптеригии самые несгибаемые, а у пелагического ската относительно мягкие. Зная прочность плавникового хряща на изгиб, можно заранее сказать, как его обладатель отталкивается от дна.
Исследователи подчеркивают, что жесткость хряща — приспособление к придонному образу жизни, его нельзя объяснить филогенией. Атлантический и пелагический скаты, например, принадлежат к одному семейству, а жесткость брюшных плавников у них разная.
Итак, скаты нашли способ сделать прочный скелет из мягкого хряща, и даже не один. Прежде всего хрящ можно укрепить минерализацией. Хотя прочность проптеригиев сравнима с таковой костей млекопитающих аналогичного размера, содержание минеральных солей в хрящах ската значительно ниже, около 10 %. Одной минерализации для получения крепких плавников недостаточно, важную роль играет структура поверхности хряща.
Плавниковые лучи скатов можно уподобить неминерализованным столбикам, которые снаружи облицованы плиточками из гидроксиапатита размерами в несколько сотен микрон. Очевидно, такая структура обеспечивает тонкие, но прочные стенки и увеличивает жесткость проптеригиев. Кроме того, жесткость плавниковых хрящей зависит от формы их поперечного сечения. Так, у электрического и желтого скатов проптеригии практически не отличаются по степени минерализации, площади и толщине стенок. Но их срезы имеют овальную форму и ориентированы так, что у электрического ската с жесткими брюшными плавниками сила при толчке направлена вдоль длинной оси, а у желтого ската — вдоль короткой.
Хрящ, не уступающий по прочности кости, но значительно более легкий, — именно то, что нужно рыбам, поскольку позволяет им поддерживать высокую плавучесть. Тело у скатов плотное, без воздушных пузырей и полых костей, и облегчить его нечем, разве что высоким содержанием жира в печени и продуманной структурой скелета.
Интересно, что N. bancroftii, у которого самый минерализованный скелет и самые толстые чешуйки, живет практически на дне и слывет одним из самых медлительных скатов, а наименее минерализованный скат пелагический и совершает далекие миграции.
Наталья Резник
LJ. Macesic, A.P. Summers Flexural stiffness and composition of the batoid propterygium as predictors of punting ability, The Journal of Experimental Biology ( 2012) 215, 2003-2012, doi:10.1242/jeb.061598