Чому не тонуть риби та багато інших водних тварин, адже вони набагато важчі за воду? Який орган допомагає їм бути рятівним поплавцем?
Вивчаючи водних мешканців на уроках біології ми знаємо, що тварини водного середовища мають ряд пристосувань до умов свого існування. Серед варіантів поплавців найбільшого поширення набув плавальний міхур, заповнений газами. Такими міхурами користуються не лише риби. Зовнішньо це пристосування здається надзвичайно простим пристроєм. Але це хибна думка. За дослідженнями вчених-іхтіологів плавальний міхур - непарний або парний орган риб, який розвивається як виріст передньої частини кишечника. Крім гідростатичної функції, у деяких риб він виконує ще дихальні і звукоутворюючі функції, а також роль резонатора і перетворювача звукових хвиль. У деяких риб плавальний міхур зв'язаний з кишечником, в інших - цілком ізольований і регулювання вмісту газів у ньому здійснюється за допомогою так званого червоного тіла - густого сплетення кровоносних судин на внутрішній стінці Форма міхура досить різноманітна, але найчастіше він має витягнуту овальну форму, іноді ж перетягнутий на два відділи: передній і задній, який у деяких риб буває забезпечений простими або навіть розгалуженими придатками. Відсутній він у багатьох риб, що ведуть придонний спосіб життя, і в добре плаваючих риб, що роблять швидкі переміщення по вертикалі.
Плавальний міхур заповнений газами, відмінними за складом від атмосферного повітря і співвідношення яких може мінятися. Де і як риби та інші водні тварини добувають той газ, яким заповнюють плавальний міхур? У воді ж немає заправних станцій. А риби, як ми знаємо, накачують газ до необхідного і надто високого тиску. Вони вміють також боротися із витоками газу. Наприклад, колоніальна тварина фезалія, відома як португальський кораблик, знаходиться у деяких родинних зв’язках із медузами, на яких вона і схожа.  Над її медузоподібним тілом підвищується голубий, червоний або фіолетовий міхур з гребенем зверху. У великих особин фезалій він досягає 30 см. З нижнього боку звисають довгі, до 10 м у довжину щупальці, чиї дотики досить небезпечні для людини. Газовий міхур виконує одночасно роль вітрила і поплавця. В ньому міститься до 15% чадного газу, смертельного для тварин, навіть, у мізерних конценртаціях. Деякі родичі фезалій заповнюють ним свої плавальні міхурі на 80-95%.
Молюски використовують для вироблення цього газу амінокислоту серин. В інших організмів у плавальному міхурі знаходяться інертні гази, які присутні у повітрі в невеликих концентраціях: десяті або соті долі відсотків. Деякі риби наповнюють свої міхурі азотом. Але найчастіше використовується кисень.
Заповнення плавального міхура газом здійснюється за допомогою спеціальної залози. Вона розміщена безпосередньо в його стінці і добре помітна завдяки яскраво-червоному забарвленню. Частіше всього залоза лише допомагає виділятися газу, який міститься в крові, але сама його не виробляє. У риб ця залоза продукує молочну кислоту, яка потрапляючи в кров, порушує зв’язки кисню із гемоглобіном. Вільного кисню в крові тоді виявляється так багато, що він виділяється в плавальний міхур. Крім того, молочна кислота та інші речовини, які виробляються газовою залозою, різко понижують розчинність газів у крові, що підсилює та прискорює їх виділення в плавальний міхур.
Газова залоза – крихітний орган, але вона забезпечує утворення великої кількості газів. При об’ємі плавального міхура 10 куб.см потрібно 1 л газу, якщо риба мешкає на глибині 1 км, тому що при тиску 100 атм, який і є на цій глибині, об’єм його зменшується в 100 разів. Але видобути необхідну кількість газу – це лише половина справи. Його необхідно закачати у плавальний міхур під певним тиском. Для цього призначена примножуюча система. Її знайшли у риб значно раніше, ніж зрозуміли її призначення. Основою примножуючої системи – це кровоносні судини. Кров надходить до газової залози по спеціальній артерії, але перш ніж зайти до неї, вона розпадається на велику кількість капілярів, а потім знову зливається в одну судину. Вена, ввійшовши в залозу, також поділяється на дрібні судини, які проходять через сітку артеріальних капілярів, а вже потім збирається у загальну вену. Ця чудова сітка складається із незвичайних капілярів. Вони зовсім не звивисті, як в інших органах, а залишаються прямими на всій своїй відстані і досить довгими – до кількох міліметрів. У деяких видів риб вони можуть бути понад 2 см. Ця чудо-сітка працює як справжній насос, коли у плавальний міхур необхідно додати нову порцію газу.
Головним конструкторським недоліком плавального міхура є те, що стінки його надто м’які і при зануренні на глибину океану не виявляють опору стисканню. На тих глибинах, де мешкають деякі види риб, тиск досягає десятків і сотень атмосфер. Гази плавального міхура стиснуті до таких же величин, так як його м’які стінки не в змозі виявляти опору зовнішньому тиску. У залежності від цього, сам об’єм міхура залежить від зовнішнього тиску, тому риби і пов’язані з життям на певних глибинах. Наприклад, глибоководна риба, яка живе на глибині 1 км, що має об’єм плавального міхура 10 куб.см, опуститься ще на 100 м, де тиск збільшиться на 10 атм, тоді її плавальний міхур від підвищеного тиску стиснеться до об’єму 9 куб. см. Таким чином, зменшений плавальний міхур не зможе виконувати свої функції, а риба змушена буде затратити багато енергії, щоб не піти каменем на дно. Вона також може добути ще 110 куб.см газу, стиснути його до 110 атм, при цьому його об’єм зменшиться до 1 куб.см і нейтральна плавучість відновиться.
В цій ситуації газова залоза почне виділяти молочну кислоту, а та різко підвищить вміст у крові кисню. Венозна кров, відтікаючи від газової залози та проходячи по венозним капілярам, тісно буде дотикатися до артеріальних, де тече кров, яка містить кисень під тиском 0,2 атм (такий тиск кисню в морській воді на різних глибинах). Тут кисень із венозної крові дифундує в артеріальну, а в газовій залозі до нього додається нова порція газу, звільненого від впливу гемоглобіну. Ця процедура повторюється багаторазово, і газова пастка, не даючи кисню піти з венозної крові, нарешті створює такий тиск, що він долає бар’єр в 110 атм і почне проникати в плавальний міхур, відновлюючи попередній його об’єм. Чудова сітка не лише підкачує в плавальний міхур нові порції газу, але й попереджає його витік, так як вся кров, відтікаючи від плавального міхура, пропускається через газову пастку.
Ще небезпечніше для глибоководної риби підніматися в поверхневі шари. В міру падіння тиску води, гази плавального міхура починають розширятися, об’єм збільшується, і він буде тягти рибу наверх. Якщо риба зазівається і підніметься надто високо, то вже не зможе подолати підйомну силу власного газового плавального міхура, і буде викинута на берег та вивернута навиворіт, або зовсім лопне. Але із такого стану є вихід – випустити надлишок газу, звичайно, якщо плавальний міху має для цього відповідне пристосування. Газовий «поплавець» настільки незручне пристосування для підтримання необхідної належної плавучості і так обмежує свободу переміщення, що більшість хижих риб змушені були відмовиться від плавального міхура і тепер витрачають багато енергії, постійно рухаючи плавцями, щоб не потонути.
Багато вчених вважають, що морським мешканцям вигідніше було б мати повітряний поплавець з міцними твердими стінками, здатними витримувати високий тиск. Справиться із таким завданням змогли молюски, які вміють плавати – наутілуси. Їхні легкі міцні і дуже красиві перламутрові раковини використовують для художніх поробок на всіх узбережжях Індійського океану. Спірально закручена велика раковина наутілуса розділена всередині на великі комірки, заповнені газом. Саме тіло молюска живе у найбільшій зовнішній комірці. В міру росту господар раковини додає одну за одною нові повітряні камери, відбудовуючи для себе більш просторі апартаменти. Робить він це досить цікаво. Нова створена комірка виявляється заповнена солоною водою. Спочатку наутилус видаляє з неї натрій, так як у нього для такого процесу є певне пристосування, яке  дозволяє виконувати такі операції. Коли опріснення води закінчиться, включаються «осмотичні помпи», які працюють автоматично і не потребують спеціальних затрат енергії, тому в дію їх приводить осмотичний тиск рідин тіла. Його достатньо, щоб опріснена вода енергійно відкачувалась з камери.
Більш досконалим поплавцем володіють каракатиці. У цих головоногих молюсків від великої і важкої раковини, яка була колись у їхніх предків і наявна в інших видів молюсків, залишилась невелика пластинка, прихована в тканинах тіла. Вона виконує функцію скелету і плавального міхура. Коли взяти в руки цю пластинку, вона здається зовсім невагомою, але під мікроскопом видно, що складається ця структура із значної кількості вузьких комірок висотою до 0,7 мм, розміщених правильними шарами. У великої каракатиці може бути до 100 шарів. Комірки заповнені газом із тиском близько 1 атм. Розпірки між лунками настільки міцні, що можуть витримати високий тиск, але все рівно каракатиці глибше 200 м не спускаються, так як, не дивлячись на міцність стінок газового поплавця, він псується від великого тиску і на великих глибинах робота «помп» розладнується. Якщо каракатиця опуститься на глибину 240 м, де гідростатичний тиск підніметься до 24 атм, вийде зрівнювання тисків і відкачування води перестане працювати. Газовий поплавець з міцними стінками обмежує область мешкання каракатиць і наутилусів всього 200-метровим шаром. Але він дає їм і переваги, дозволяючи зберігати однакову плавучість на різній глибині без додаткового регулювання свого гідростатичного пристрою.
Повітряні поплавці з твердими стінками мимоволі наштовхують на думку: а чи неможливо замість газу наповнювати рятівний пасок легкою рідиною, адже рідину практично не стиснеш. Деякі водні тварини виконують і це. Глибоководний кальмар кранхія на відміну від інших головоногих молюсків має велику порожнину тіла, наповнену рідиною. Вона становить близько 2\3 об’єму тіла і виконує роль поплавця. Якщо цю рідину випустити, кальмар піде на дно. Рідина має такий же осмотичний тиск як і морська вода, але дещо легша за неї, так як у ній повністю відсутні важкі іони оксиду сірки, зате багато легких іонів амонію. В результаті порожнинна рідина має питому вагу 1,010, тоді як питома вага морської води – 1,026. Щоб створити поплавець, в організмі кальмара затримується 40% аміаку, що виробляється протягом всього життя тварини. У водяного поплавця є недолік – досить великий розмір у порівнянні з величиною тіла.
Риби використовують для зниження своєї маси також жири. У акул і скатів ніколи не буває плавального міхура, зате у них велика печінка, яка на 75% заповнена жиром. У найшвидших акул її вага може складати п’яту частку маси тіла. Жир акул найлегший із всіх жирів, які зустрічаються у тварин. Вперше такий жир був відкритий в акули-катрана, яких на латинській мові називають «Сквалюс», тому жир назвали «сквалена».
Для глибоководних риб повітряний плавальний міхур зовсім непридатний. Якщо вони і користуються ним, то він заповнений жиром. Таким «рятівним паском» користуються риби, які мешкають на глибині до 2 км. Наявність в плавальному міхурі жиру дає можливість цим рибам підніматися вночі в поверхневі води океану у пошуках їжі, чого риби з повітряним плавальним міхуром дозволити не можуть.
Велика різноманітність «рятівних пасків», які використовуються водними організмами, не потребують енергетичних затрат «помпи» для відкачування з порожнин прісної води – все це лише маленька частка винаходів, на які природа давним-давно отримала патенти.