Свет и цвет под водой
Сине-зеленый пейзаж. — Подводный туман. — Загадка ярких красок. — Живые фонарики под водой. — Волшебная мельница. — Голубой танец планктона
Полдень. Безоблачное небо. Ослепительный солнечный свет заливает песчаный пляж и переливается яркими бликами на зеленоватой поверхности моря, колеблемого небольшими волнами. В маске с аквалангом за плечами водолаз медленно погружается в море. Но вот вода сомкнулась над его головой. Вокруг водолаза раскрылось ярко освещенное подводное царство. Парят разноцветные медузы и сифонофоры, мечутся стайки пестро окрашенных рыбок. Все так же светло и ярко, как на берегу. Только все предметы кажутся на одну треть больше и ближе, чем на самом деле. Это игра преломленных лучей. Мимо проплывает рыба, хочется дотянуться до нее рукой, а в действительности до рыбы по крайней мере 1,5-2 м.
Водолаз погружается глубже. До глубины 5 м освещение почти не меняется, но затем понемногу бело-желтые тона начинают уступать синевато-зеленым. На глубине 10 м все вокруг уже окрашено в однообразный синевато-зеленый цвет. На глубине 20 м даже на фотопластинку действуют только сине-зеленые лучи.
Водная среда намного плотнее воздуха. Она «прозрачна» для звука, но мало прозрачна для света. Световая энергия, проникающая в воду, рассеивается и частью преобразуется в тепловую энергию. В прозрачной воде открытого океана яркость освещения убывает с глубиной в среднем в десять раз на каждые 50 м.
Солнечный луч, как известно, состоит из лучей видимого и невидимого спектра. К невидимой части спектра относятся ультрафиолетовые и тепловые инфракрасные лучи. Морская вода обладает избирательной способностью к поглощению световых лучей. До глубины 0,5 м поглощаются только инфракрасные лучи, благодаря чему освещение в полуметровом верхнем слое остается белым. На глубине 5 м к нормальному солнечному освещению слегка примешиваются синевато-зеленоватые тона. Дальше происходит энергичное поглощение красных и желтых лучей. Синевато-зеленоватые тона становятся преобладающими.
На глубине 50 м сине-зеленые тона сгущаются, приобретая цвет поверхности моря. До глубины 50 м проникают ультрафиолетовые лучи, между прочим, очень важные для фиксации кальция организмами. Яркие разнообразные окраски морских организмов доступны для фотоаппарата только до глубины 5 м, на глубине 20 м они исчезают.
Водолаз, опустившийся на глубину более 10 м, видит своеобразный синевато-зеленый пейзаж. Кровь рыбы, пораженной гарпуном водолаза, на глубине 20 м кажется коричневой, а на 40-50 м — совершенно зеленой. Кровь человека в 50 м от поверхности моря тоже выглядит зеленой. Словом, толща морской воды подобна фильтру, хорошо пропускающему только зеленые и синие лучи, именно те лучи спектра, в которых сосредоточена максимальная мощность видимой части солнечной радиации. Это обстоятельство сыграло, быть может, немаловажную роль в том, что океан стал колыбелью жизни на Земле. Взвешенные в воде минеральные, органические частицы, мельчайшие пузырьки газа и даже сами молекулы воды отражают и рассеивают свет, проникший в толщу воды. Поэтому свет в воде распространяется во все стороны и со всех сторон, хотя, конечно, самый интенсивный световой поток поступает сверху.
Водолазам хорошо известно, что светлые прозрачные слои воды нередко перемежаются с мутными, видимость в которых сокращается до нескольких метров. Резко понижают прозрачность воды скопления планктона. Взвешенные частицы и планктон — это подводный «туман», всегда присутствующий в толще морской воды. Предельная видимость для человеческого глаза под водой измеряется несколькими десятками метров.
Вода плохо пропускает и искусственный свет. В исключительно прозрачной средиземноморской воде для фотографирования на расстоянии всего одного только метра требуется источник света мощностью 0,5 квт. При расстоянии в 2 м мощность его должна быть увеличена до 2,5 квт, а при расстоянии в 3 м — до 7 квт. За пределами 5 м от источника света вода приобретает свой обычный для глубин синевато-зеленый цвет.
Чувствительные пленки допускают подводное фотографирование на глубине до 30 м. Применение фотографами и водолазами искусственного освещения привело к удивительному открытию. Едва коснется пучок электрического света обитателей морских глубин, как перед глазами водолаза оживает целый мир ярких красок. Свет мощной электрической лампы или прожектора мгновенно превращает монотонный синевато-зеленый подводный пейзаж в палитру художника, покрытую яркими разнообразными красками. При погружении батискафов в толще воды наблюдался «красный туман» — скопление жгутиковых, окрашенных в свете прожектора в красный цвет.
Невольно при этом задаешь вопрос — к чему под водой яркая раскраска медуз, кораллов, асцидий, сифонофор, коралловых рыбок и других морских животных? При естественном свете человек ее не видит. Но, может быть, ее видят глаза обитателей подводного царства, устроенные иначе, чем у человека? Общепринятое мнение таково, что у рыб зрение слабое, однако биологи Е. К. Бэйлор и Эвелин Шоу считают, что костистые рыбы дальнозорки, а глаза их способны увеличивать контрастность плохо освещенных предметов. Впрочем, может быть, за яркой окраской морских организмов кроются более важные причины, не имеющие отношения к тому, любуется ими кто-нибудь или нет? Быть может, красящий пигмент в коже морских животных отражает одни лучи и поглощает другие, — именно те, которые им необходимы для жизненных процессов?
Между прочим, наблюдая яркие, чарующие глаз расцветки морских животных, сухопутных растений, насекомых и птиц, невольно приходит мысль, что природа поскупилась на краски для венца ее творения — человека, внешность которого без косметики, надо сознаться, довольно-таки бесцветная.
Почему организмы, живущие на дне, становятся бесцветными с глубины 2000 м? И наоборот, некоторые виды креветок, бесцветные в верхних слоях океана, на глубине нескольких тысяч метров окрашены в красный и фиолетовый цвета? Все эти вопросы, остающиеся пока без ответа, надо отнести к неразгаданным секретам природы.
В некоторых случаях окраска носит, видимо, защитный характер. Так, у большинства рыб, живущих в верхних слоях океана, спинки темные с синим, зеленым или серым отливом; такая окраска сливается с поверхностью моря, если смотреть сверху. Зато брюшки у них светлые, даже белые; если глядеть на такую рыбу снизу, она сливается с поверхностью моря, которая из глубины представляется светлым сверкающим потолком. Медузы, ярко окрашенные в верхних слоях океана, часто имеют однообразный коричневый цвет, если живут на глубине 300-400 м. Глубоководные рыбы, бесцветные или окрашенные в черный, темно-фиолетовый и красный цвета, вероятно, трудно различимы в темных глубинах океана. Некоторые морские животные обладают способностью, подобно хамелеону на суше, менять окраску тела, приспосабливаясь к окружающей среде. Например, если палтуса положить на шахматную доску, его спинка покрывается рисунком, сходным с шахматной доской; у ослепленного палтуса этого не происходит. Значит, изменение окраски у него управляется нервно-гормональной системой.
Секрет окраски животных и даже человека был раскрыт совсем недавно при изучении эндокринной системы скромной серой морской креветки. Оказалось, что любая окраска наружных покровов животного — результат той или иной плотности содержащегося в них особого вещества меланина, выделяемого специальными пигментными клетками. Чем плотнее решетка из зерен меланина, тем темнее окраска, а сам цвет, какой бы он ни был, — результат отражения света в дифракционной решетке меланина.
Для человеческого глаза в морской воде, начиная с глубины 300-400 м, наступает полный мрак, однако при продолжительной выдержке фотографические пластинки засвечивались на глубине 600 и более метров. Во время рейса американского исследовательского судна «Атлантис II» точный фотометр с чувствительностью до 10 -13 интенсивности полуденного солнечного освещения зарегистрировал дневной свет в открытом океане на глубине 800 м. Впрочем, может быть, в этом случае на них действовал не теплый животворящий свет солнца, а призрачный холодный «свет моря» — биолюминесценция, свечение морских организмов.
Мореплаватели с этим свечением знакомы давно. Оно хорошо описано первооткрывателем Антарктиды Фаддеем Беллингсгаузеном и автором «Фрегата Паллада» И. А. Гончаровым. В северных холодных водах случается наблюдать «молочное море». Его освещают скопления светящихся морских организмов снизу, с небольшой глубины. В тропиках во время 5-6-балльного волнения иногда удается видеть изумительную картину «горящего моря» — горят огненными языками волны, пылают срываемые ветром пенистые гребни; это светятся скопления жгутиковых, образующих иногда губительный «красный прилив» (см. очерк «Эликсиры жизни и смерти»). Свечение часто встречают на стыке течений, где скапливаются планктонные организмы и органическая слизь. Участники рейса «Седова» в январе 1940 г. наблюдали яркое свечение волн в разводьях между ледяными полями.
В океанах и морях светятся очень многие организмы: бактерии, радиолярии, некоторые медузы, гребневики, головоногие моллюски, креветки, наконец, рыбы. Многие организмы начинают светиться лишь под влиянием механического раздражения, например, под действием волн; у других оно постоянное, а у отдельных видов глубоководных рыб и кальмаров — произвольно регулируемое. У бактерий чаще всего свечение постоянное, притом настолько сильное, что, по мнению академика Б. Л. Исаченко, его достаточно для фотосинтеза, если, конечно, он возможен в диапазоне спектра, сдвинутого к голубой и зеленой его части. Советские полярники не раз наблюдали свечение в разломах льда, вызванное присутствием светящихся бактерий. Как на курьез, можно указать, что на парижской всемирной выставке в 1900 г. дворец оптики был освещен стеклянными баллонами, заполненными морской водой с ярко светящимися бактериями.
К числу самых энергичных осветителей моря относятся жгутиковые (см. очерк «Пищевая цепь») и, в частности, ночесветки (Noctiluca miliaris), мелкие организмы размером от 0,2 до 2,0 мм. Огромные скопления ночесветок иногда заливают голубоватым призрачным светом наши черноморские воды; серебром стекает в такие ночи вода с поднятого весла, а за кормой идущего судна остается широкий яркий след. Некоторые организмы, например, червь палоло, светятся только в период размножения. Самка, вызывая самца, быстро движется, описывая у поверхности воды небольшой светлый круг; к ней поднимается со дна самец, он испускает искорки света; затем в светящемся кольце кружатся оба, а после оплодотворения свечение прекращается. Во время размножения палоло море приобретает молочный цвет.
Советский гидростат для подводных наблюдений, рассчитанный на глубину до 800 м
Очень ярко светятся у поверхности моря мелкие рачки эвфаузиды, которых как раз и наблюдал в антарктических водах Беллингсгаузен. В данном случае назначение свечения совершенно непонятно, так как оно привлекает к рачкам морских птиц и заканчивается массовой гибелью этих морских светлячков.
Особенно интересно свечение обитателей больших глубин. У некоторых глубоководных рыб, излучающих свет, органы свечения расположены по бокам, как иллюминаторы у корабля; у других — сзади, словно сигнальные огни автомобиля, у третьих — прикреплены на концах длинных свисающих усов. У рыбы удильщика на голове находится «леска» со светящимся огоньком на конце. Вероятно, рыба размахивает огоньком, привлекая добычу. У одной из рыб, открытой во время экспедиции на «Галатее», светящийся подвесок находится в глотке; он словно приглашает добычу в желудок: «добро пожаловать на огонек». Известна глубоководная рыба с огромной пастью, у которой светятся оба ряда хищных зубов. Однажды в Индийском океане с глубины 3000 м был извлечен кальмар Lycotheisthis diadema с подлинно праздничной иллюминацией; глазные органы у него светились синим цветом, по сторонам сверкали жемчужно-белые огни, на брюшной стороне посередине горели голубые, а впереди на брюшной полости — рубиновые светильники. Этот кальмар довольно долго жил на корабле в ванне с охлажденной морской водой. Небольшие кальмары Abralia, обитатели теплых морей, светятся ярким ультрамариновым светом. Глубоководные каракатицы и некоторые виды кальмаров, чтобы скрыться от врага, выпускают не черное, а светящееся облако слизи. У одного из видов глубоководных рыб Stomiatoidei (известных тем, что их карликовые самцы живут, как паразиты, на теле самки) светящийся орган на нижней челюсти снабжен чем-то вроде рефлектора и посылает яркий голубой луч на расстоянии до полуметра. Таким образом, мрачные глубины океана не совсем лишены света.
По сообщениям советского физика И. И. Гительзона и американского — Г. Л. Кларка, сделанным на 2-м Международном океанографическом конгрессе в Москве, биологическая люминесценция наблюдалась ими до глубины 2000 м. Есть полное основание считать, что явление биолюминесценции характерно для всей толщи океанской воды. Люминесценция в глубинах океана достаточно сильна, чтобы иметь существенное экологическое значение.
У некоторых высших ракообразных, рыб и головоногих моллюсков свечение, а равно и окраска тела подчинены нервно-гормональному контролю. У кальмаров и рыб встречается нечто вроде «век», закрывающих светящиеся органы, если это потребуется.
Какова же природа этого холодного свечения морских животных? Свечение образуется при окислении люциферином (протеин с очень большим молекулярным весом) люцифераза — вещества, близкого к витамину К. Оба вещества выделяются специальными клетками. Для свечения этих веществ необходим кислород. Однако существуют организмы, в частности бактерии, способные светиться в бескислородной среде. У некоторых кальмаров и рыб светящиеся железы заселены светящимися бактериями, живущими в симбиозе со своим хозяином. Каков бы ни был механизм свечения, во всех случаях для него необходима вода. Холодный свет моря небезразличен и для человека. По свечению поверхности моря наши черноморские и дальневосточные рыболовные суда ночью находят косяки рыбы, движущейся даже на глубине до 30-35 м. Светятся иногда фонтаны китов. Светящиеся буруны и искрящиеся под водой рыбачьи сети позволяют судну спокойно обойти их стороной. Надо, однако, упомянуть, что светящиеся сети отпугивают рыбу. По светящемуся следу за кормой можно с самолета обнаружить неприятельский корабль и подводную лодку даже в подводном положении. Издали можно заметить след выпущенной самодвижущейся мины и уклониться от опасной встречи с ней. Правда, иногда в военное время за мину принимали след тунца или дельфина.
За тунцом часто остается 30-метровый, а за быстроходным дельфином — 90-метровый светящийся шлейф. Командир одного нашего «охотника», истребителя подводных лодок, писал в своих воспоминаниях: «. Ночь прошла неспокойно — трижды в нас «стреляли» дельфины». Первая в военно-морской истории самодвижущаяся мина, проложившая в ночном море яркий светящийся след, была выпущена в 1877 г. лейтенантом Зацаренным с минного катера «Чесма», атаковавшего на батумском рейде военный турецкий корабль. Команде одного нашего миноносца, подорвавшего глубинной гидростатической бомбой германскую подводную лодку, пришлось наблюдать феерическое и в то же время трагическое зрелище. После взрыва на глубине около 30 м подводная лодка, окруженная голубоватым сиянием, разломилась пополам и медленно пошла на погружение в последний раз. Моряки долго следили за ней, пока дрожащий призрачный свет не растворился в глубинах Баренцева моря.
Однажды в последнюю мировую войну свечение моря, разбросанное пятнами на горизонте, всполошило японскую эскадру; с флагманского корабля напрасно был дан сигнал боевой тревоги — самураев напугали ночесветки. В японском военном флоте во время войны, когда электрический свет мог выдать присутствие корабля противнику, для освещения карты или блокнота на командном мостике в ночное время пользовались сушеным порошком из светящихся рачков кипридин. Если, положив на ладонь, порошок смочить, он дает свет, вполне достаточный даже для чтения газеты, но незаметный уже на расстоянии в несколько метров. Поскольку установлено свечение отмерших и засушенных организмов, не вызывает удивления, что в океане иногда наблюдается свечение растворенного и взвешенного в воде органического вещества. По сообщению французского океанолога А. Иванова, свечение растворенного органического вещества в Тирренскому море усиливается вдвое от поверхности до 200 м, а затем до самого дна почти не изменяется.
Многочисленные записи в вахтенных журналах торговых судов рассказывают еще об одном виде люминесценции. Представим себе безлунную тропическую ночь. Темное облачное небо сливается на горизонте с таким же темным морем. Внезапно на поверхности моря загораются светлые полосы. Они кажутся параллельными, хотя соединяются на горизонте в одной точке. Полосы быстро и непрерывно вращаются, часто против ветра и волны. Иногда центр вращающихся светлых полос расположен невдалеке от судна; тогда они напоминают спицы вертящегося колеса. Случается, что с судна видны три и даже четыре таких колеса. Они могут вращаться в одном или в разных направлениях. «Волшебная мельница» — называют это явление моряки.
Немецкий океанограф К. Калле проанализировал 2239 таких наблюдений и пришел к заключению, что это явление — результат свечения организмов, потревоженных ударными волнами местных небольших моретрясений. Это вполне возможно, так как под их воздействием в толще воды порой образуются инерционные волны, вращающиеся в горизонтальной плоскости. Иногда распространение ударной волны от дна к поверхности обнаруживается в виде всплывающего из глубины светящегося шара. Достигнув поверхности моря, он расплывается большим светлым пятном. Такие пятна наблюдали в Охотском море в 1908 г. морской врач Ф. Д. Дербек и с борта парохода «Охотск» в 1933 г. М. В. Стукалин; в 1931 г. Г. Н. Иванов-Францкевич, находясь на пароходе «Зырянин», видел подобные же светлые пятна в районе Ходейды в Красном море.
Процессы фотосинтеза, происходящие при развитии и росте растительных организмов, требуют около 1% лучистой энергии солнца. Некоторые сухопутные животные обладают настолько острым зрением, что для них вполне достаточно звездного освещения. Исследования показали, что прудовые рыбы способны видеть в воде при освещении, составляющем одну десятимиллиардную часть солнечного света. Каковы требования к освещению со стороны морских животных — пока неизвестно. Многие глубоководные рыбы наделены телескопическими глазами — большими глазными яблоками, насаженными на толстые стержни; впрочем, на глубинах встречаются также рыбы с очень маленькими глазами и даже совершенно лишенные зрения и глаз. Весьма вероятно, что биолюминесценция, озаряющая голубоватым светом морские глубины, вполне достаточна для ориентировки в окружающей среде, если не всех, то многих глубоководных организмов.
Ничтожные доли солнечного света, совершенно не ощутимые для человеческого глаза, как мы уже знаем, проникают на глубины в несколько сот метров. Этого света, оказывается, вполне достаточно для того, чтобы некоторые планктонные организмы, реагирующие на свет, по ночам поднимались к поверхности моря, а днем погружались на глубину. У планктонных организмов вместо глаз часто встречаются глазные пятна. Они дают животному возможность чувствовать свет, но не различать предметы. Яркий свет планктонным организмам, как правило, «противопоказан». После четырех часов яркого солнечного освещения рачок калянус еще может оправиться, хотя не всегда, но после восьмичасовой дозы освещения погибает обязательно, даже если все прочие условия среды для него благоприятны. Глубина нахождения планктона определяется, вероятно, оптимальной для его жизнедеятельности освещенностью, а подъем или погружение его начинаются в тот момент, когда происходит изменение освещенности, к которой он уже приспособился.
Зоологи Мичиганского университета заметили, что голубой свет вызывает беспокойство у зоопланктона, вся масса его начинает беспорядочно метаться и рассеивается. Это его поведение зоологи назвали в шутку «голубым танцем» планктона. При красном свете, наоборот, происходит концентрация планктона.
Вопрос о том, как реагируют рыбы на искусственный свет, пока мало изучен, хотя лов на свет практикуется довольно широко (см. очерк «Стратегия и тактика рыбака»). Через иллюминаторы научно-исследовательской подводной лодки «Северянка» велись наблюдения за реакцией сельди на яркий свет. Днем некоторые экземпляры относились к лучу прожектора безразлично, но большая часть круто, хотя и медленно, уходила в сторону. Ночью же сонная рыба совсем не реагировала на свет. Не реагировали на свет прожекторов и глубоководные рыбы, замеченные при погружении батискафов.
Освещенность морских глубин зависит не только от высоты солнца над горизонтом и облачности. На нее оказывает влияние и состояние моря. Гладкая поверхность моря пропускает больше света, чем поверхность бурного моря. Охотники за жемчугом приметили, что во время волнения освещение дна моря ухудшается. Чтобы успокоить волнение, перед погружением они набирали в рот оливковое масло и выпускали его в воде. Тонкая масляная пленка успокаивала волнение и улучшала освещение дна.
Нельзя не сказать несколько слов о цвете моря. Знакомый многим синий цвет моря образуется путем рассеяния света молекулами воды; в открытом океане, где нет взвешенных минеральных частиц и мало планктона, вода голубовато-синяя. Синий цвет воды — это цвет мало населенных живыми организмами «океанских пустынь». Зеленый цвет морская вода приобретает у берегов, где к синей окраске примешивается желтый цвет растворенного в воде органического вещества. Наконец, желтой и коричневой морская вода становится около устьев рек, которые выносят много минеральных и органических веществ. На цвет моря влияет окраска неба и волнение. Сильное волнение придает морю более темный цвет, штормовое облачное небо делает море свинцовым. Море жадно поглощает солнечный свет и легко меняет свою окраску.
Свет прожектора подводной лодки «Северянка» привлек планктон, который в свою очередь послужил приманкой для рыбы. Рыба, однако, держится в тени и только самая смелая или самая голодная ворвалась в гущу планктона
Распространение света в морской воде и глубоководная люминесценция служат в настоящее время предметом тщательных исследований. Подводная фотография, черно-белая и цветная, а также подводное телевидение настойчиво предъявляет к подводной оптике все более значительные требования. Недавно английским океанографам удалось запечатлеть на кинопленке борьбу двух кальмаров, происходившую на глубине 500 м. И кто знает, может быть, недалеко то время, когда на экране кинотеатра или телевизора мы увидим борьбу гигантского кальмара с кашалотом, происходящую на глубине 1000 м, стаю рыб, настигнутую тралом рыболовного судна, и «голубые» либо «красные танцы» зоопланктона или сардин, привлеченных светом прожекторов к рыбонасосу, который выкачивает их на палубу вместе с водой.
В заключение надо вспомнить о самом главном. Без лучистой энергии солнечного света немыслимо развитие большинства морских растительных организмов. С ее помощью они строят свое тело, превращая вещества мертвой природы в живое органическое вещество.
Источник