ההסתגלות לחיים במי ים אצל יונקים ימיים
ההסתגלות לחיים במי ים אצל יונקים ימיים
מגוון יונקים - ובהם טורפים רבים - יודעים להשיג את מזונם במים. הדובים החומים צדים סלמון, מיני חתוליים צדים דגים שונים ועוד. יותר מכך, כל הטורפים מקרב היונקים יודעים לשחות כמעט מלידה. אבל רק חלק מבעלי החיים הללו בחר לבלות במים את כל חייו, או לפחות לתלות בהם את קיומו. ולא רק זאת, אלא במי מלח - מי הים. ישנן קבוצות בעלי-חיים שבחרו לשהות בים כל חייהם, כמו הלווייתנאים והתחשאים וישנם כאלה שבחרו לבלות בים את רוב זמנם, כמו הסנפיר-רגליים (מכונים גם "טורפי-הים") - כלבי-הים, אריות-הים, דובי-הים והניבתנים.
ידוע לנו שמקור החיים בעולמנו היה בים, וכי אבות היונקים נטשו אותו הרבה מאות מיליוני שנים לאחור. היונקים התפתחו והותאמו לסביבה יבשתית מוחלטת ולצורך החזרה לים, היה צורך בשינויים עצומים על מנת להתאים את החיים בחזרה לסביבה הימית. שינויים כאלה עולים במחיר יקר של ויתור על כמה ממנעמי היבשה ובמאמר זה אספר בקצרה על השינויים וההתאמות השונים אותם סיגלו לעצמם הלווייתנאים וטורפי-הים.
הסביבה הימית שונה מהיבשתית בתכונות רבות כגון: אחוז החמצן החופשי, תכולת החום והעברת חום, צפיפות, צמיגות,משקל סגולי של המדיום בו נעים (משנה לציפה, שקיעה ותנועה) וגרר, מקדמי שבירת האור, בליעת אור, עכבה אקוסטית, מליחות, תלת מימדיות ועוד הרבה גורמים שכל אחד מהם לבדו, יכול להוות גורם לכשלון במעבר למים. כמובן שאי-אפשר להכיל בכתבה קצרה את כל הגורמים, או אפילו לספר על כל הפתרונות לחלק מהגורמים, אבל אפשר להמחיש עד כמה התכונות הללו של מי הים מחייבות שינויים מהותיים בפיסיולוגיה ובאנטומיה של היונקים הימים. מקצת מההבדלים בין הסביבה הימית ליבשתית ניתן לראות בטבלה המצורפת.
ההבדלים בין הים ליבשה מצריכים שינויים בכל פן של החיים. לדוגמה:
• תנועה במדיום צפוף וצמיג בעל משקל סגולי הקרוב למשקל הסגולי של הגוף, עם מקדמי גרר גבוהים ובשלושה מימדים!
• היכולת להתמודד עם לחצים משתנים בהפרשי מרחק קטנים יחסית.
• קושי בשמירה על חום גוף במים.
• הסתגלות לנשימה, צלילה וניהול משק החמצן בסביבה נטולת חמצן זמין.
• התאמה אוסמוטית (הפרשי מליחות בין הגוף לסביבה) והעדר מים מתוקים לשתייה.
• התאמת חושים לסביבה בה אין אפשרות להריח, האור נשבר בצורה שונה, מאבד חלקים מהספקטרום שלו בעומקים רדודים ובכלל דועך די מהר עם ההעמקה, קשה לאכן את מקור הקולות אותם אנו שומעים ועוד.
• קושי ברבייה במים – החל מסביבה עוינת לזרע, לביצית ולרחם בזמן ההזדווגות ועד ההמלטה במים.
• קשיים בנושאים טריוויאליים כגון חיפוש מזון וציד או אפילו שינה.
להלן חלק מהפתרונות שסיגלו לעצמם היונקים הימיים:
משק החמצן - ריאות היונקים הימיים, כמו ריאותנו שלנו, יכולות להכיל רק כמות מועטה ובלתי מתחדשת של חמצן, ובכל זאת יונקים ימיים זקוקים לחמצן כמו כל יונק אחר, והפרדוקס הוא שהם צריכים אותו יותר דווקא בשעה שהוא אינו זמין, כלומר במרדפים אחר טרף מתחת לפני המים. הפתרונות שסיגלו לעצמם היונקים הימים דומים ברובם ומשתנים בעיקר לפי אופי הצלילה והשחייה שלהם. יונקים זריזים, אשר אינם מטיבים במיוחד לצלול, העמיסו את שרירי השלד שלהם במולקולה ששמה מיוגלובין. זאת מולקולה דומה להמוגלובין, אשר אוגר את החמצן בדם, ומתפקדת בצורה דומה. בצורה זאת, ניתן למתן מאוד את זרימת הדם לשרירים לזמנים קצרים, ולנתב את כל הדם הנותר לאספקה של חמצן ללב ולמח, אשר אינם יכולים לשרוד ללא אספקה שוטפת של דם. זהו פתרון המתאים לחלק מהלווייתנים, לדולפינים, פוקנות ואריות-ים בעיקר, שצוללים לזמנים של כמה דקות ולא יותר. היונקים הימים המטיבים לצלול, כגון לווייתני המקור (הזיפיוסיים) הצוללים ל-2,000 מטרים, כלבי-ים מסויימים כמו פילי-הים הצוללים ל-1,500 מטר לשעתיים ועוד, פתחו גם מערכת כלי-דם המסוגלת להכיל כמות דם עצומה יחסית ליונקים יבשתיים. ולא רק זה, אלא שהדם שלהם מכיל גם הרבה יותר גורמים האוגרים חמצן, כלומר, כדוריות דם גדולות יותר עם ריכוז המוגלובין (המולקולה אוגרת החמצן) גבוה יותר וגם ריכוז הכדוריות גדול יותר, אם משווים ליטר דם של יונק כזה ליונק יבשתי.
תנועה במים – התנועה במים שונה מהותית מתנועה ביבשה. ביבשה אנו מניעים את גופנו בעיקר על
ידי חיכוך ומשקל. על מנת לנוע אנו זקוקים לחיכוך רב עם הרצפה (נסו לצעוד על משטח קרח) ועל-ידי העברת המשקל שלנו קדימה במין נפילה תמידית לפנים (נסו לנוע בקרקעית בריכה בה אין לכם משקל). לתנועה ביבשה כמעט ואין התנגדות מהאוויר המקיף אותנו ולכן הגרר (התנגדות הסביבה לתנועה של גוף בה) זניח כמעט לגמרי. התנועה במים מבוססת על שינויי לחצים ומשקל סגולי. כשאנו שוחים, אנו מניעים את ידינו במים ויוצרים לחץ גדול יותר בצד האחורי של היד לעומת הצד הקדמי, וכך אנו זזים וכשאנו רוצים לשקוע אנו יכולים לשחות בחזקה כלפי מטה או פשוט לרוקן את ריאותנו מאויר – כלומר לשנות את המשקל הסגולי של גופנו, כך שיהיה כבד מהמים. בנוסף, כאשר אנו רוצים להפחית מההתנגדות של המים לתנועה שלנו, אנו מצמצמים את גופנו למינימום ומנסים לשוות לו צורת זרימה אופטימלית. היונקים הימיים אינם שונים מאיתנו בציות לחוקי הפיסיקה, הם פשוט יעילים יותר. כפתרון לגרר המוגבר במים, פיתחו היונקים הימיים צורת גוף המותאמת למים. גופם דמוי פלך (הצורה ההידרודינמית ביותר שניתן להקנות לנפח נתון) ואלה שיכלו לוותר על איברים בולטים, כמו למשל גפיים אחוריות (לווייתנאים) או אפרכסות אוזניים (לווייתנאים וכלבי-ים), עשו זאת. חלק מהיונקים "התפשרו": כלבי-הים, למשל, ויתרו על הליכה על רגליהם האחוריות על-מנת לשנות את כיוון האגן לאחור וליצור צורת זרימה יעילה יותר. מעבר לכך, מכיוון שלמשקל הכללי במים (לא המשקל הסגולי) אין שום חשיבות, ניתן היה למלא כל כפל בגוף המגביר התנגדות למים בשכבת שומן הגורמת לגוף להיות חסר קפלים ובכך חסר בעל התנגדות פחותה לזרימה.
גם התנועה של היונקים הימיים מבוססת על הפרשי לחצים, רק שחלקם פיתחו זאת לרמת אומנות ממש – הלווייתנים ואריות-הים משתמשים בזנב ובסנפירי החזה, בהתאמה, האחרונים כמו כנפיים בצפורים, ובכך הם למעשה "עפים" בתוך המים. למי שמכיר, הציפורים משתמשות בכח העילוי שנוצר מזרימת האוויר על הכנף, בדיוק כמו מטוסים. הלווייתנים ואריות-הים משתמשים בכח העילוי הנוצר מזרימת המים על הזנב והסנפירים הקדמיים בהתאמה, כאשר מבנה החתך שלהם דומה לזה של כנף מטוס, או ציפור. כל תנועת זנב/סנפיר משמשת לתנועה קדימה ביעילות רבה יותר מאשר תנועות החתירה בהן אנו משתמשים לתנועה. הוויתור על שרירי היציבה הפעילים ביבשה, בשל חוסר הצורך בהחזקת הגוף כנגד כח המשיכה, מאפשר העברת מסת שרירים יותר גדולה לתנועה, ואילו שימוש מושכל ביחסים בין שומן, שרירים ושלד במסת הגוף, מאפשר להגיע לגוף שהוא נייטרלי מבחינת ציפה במים, והציפה והשקיעה שלו מבוססים רק על שינוי נפח הריאות. בעלי-חיים הצוללים עמוק מבססים חלק גדול מהתנועה מטה על דחיסת האוויר בריאות, העלאת המשקל הסגולי שלהם וגלישה למעמקים כמעט ללא תנועת גוף. בדרך חזרה, משלב מסויים, כאשר הריאות שוב מתנפחות, הם שוב גולשים, הפעם כלפי מעלה. זה מאפשר פחות שימוש בשרירים לתנועה ובכך חיסכון בחמצן ואנרגיה. בצורה זאת, פיל-הים למשל, הנו בעל גפיים קדמיות קצרות מאוד והוא מתקדם במים בתנועות אגן, ימינה ושמאלה, תוך הצמדת הסנפירים האחוריים ליצירת "זנב דג". בהיותו צייד עומק התר אחר טרף בעל ניידות נמוכה, הוא לא זקוק לתנועת התעופה של אריות-הים, ורוב הזמן הוא משתמש בשקיעה וציפה.
שמירה על חום הגוף (תרמורגולציה) – המים הם משאבת חום אדירה. למים מוליכות חום גדולה פי 25 מהאוויר וקיבול חום גדול כמעט פי 1000 ולכן, כששמים גוף במים, הטמפרטורה שלו תושווה עם טמפרטורת המים פי 25 יותר מהר מאשר באוויר והפסד הקלוריות שלו בתהליך ההשואה יהיה גדול בשלושה סדרי גודל. זה אומר שליונק השוהה במים חייבת להיות התאמה לשמירה על חום גופו. גם לחיות החיות בסביבה חמה יחסית, כמו מים טרופיים, עדיין יש בעיה. לכל היונקים חום גוף הנע באיזור ה- 37-38 מעלות ואילו המים תמיד יהיו קרים מטמפרטורה זאת. כאשר היונקים הימים חיים בסביבה קרה במיוחד, כמו הקטבים הצפוני או הדרומי, הבעיה, כמובן, מחריפה.
הפתרונות הקיימים בעולם החי לשמירה על חום מגוונים ביותר. למשל – הגדלת מסת גוף תביא להקטנה יחסית של שטח הפנים של אותו גוף ובכך לפחות שטח איבוד חום ליחידת מסה (דוגמה בטבלה). בנוסף, ככל שגוף יהיה קרוב יותר לצורה כדורית, כך שטח הפנים היחסי שלו יקטן (ראו דוגמת השוואה בין כדור לקוביה). דוגמה אחרת – הגדלת שכבת הבידוד (זה יביא גם להגדלת הבידוד וגם הקטנה יחסית של שטח הגוף). שתי השיטות הללו נוחות מאוד למי שנמצא כל הזמן במים ובמיוחד במים קרים. השיטה של הגדלת הבידוד דורשת השקעת אנרגיה חד-פעמית, ומאותו רגע לא דרוש מאמץ מיוחד בכדי לשמור על שכבת השומן. פשוט לא לבזבז הרבה אנרגיה (יודע את זה כל מי שניסה לרדת במשקל) - זו למשל השיטה שנוקטים בה הרבה מהדולפינים, כלבי-הים הגדולים והניבתנים – לכולם שכבת תת-עור שעברה התמחות לבידוד ונקראת "בלאבר" (Blubber). גם אריות-הים דוגלים בשיטת "השומן כבידוד", אך אצלם הבידוד הוא עונתי, וזאת משום שהם מבלים כ-50% מזמנם על החוף, ובקיץ השומן מהווה בעיה על החוף החם. זאת גם הסיבה שאריות-ים נאלצים להיכנס למים בקיץ לעתים תכופות, על מנת להתקרר.
הגדלת כל מסת הגוף (כולל מסת שריר ושלד), נוחה למי שאף פעם אינו יוצא מהמים, כך שלמשקל עצמו אין חשיבות, ולמי שאינו זקוק לשחייה מהירה, משום שגוף גדול יוצר התנגדות גדולה במים ולכן גרר גדול. הגרר גובר מעריכית (בחזקה) ככל שהמהירות גדלה, ולמי שאינו שוחה מהר זה לא ממש משנה. המחיר הוא בכמות המזון הדרושה לקיים גוף ענק: הלווייתן הכחול, למשל, הוא החיה הגדולה ביותר שהתקיימה אי-פעם על פני כדור הארץ. משקלו מגיע ל-150 טון ואורכו עד 33 מטר (לרוב הנקבות גדולות יותר במין זה). נקבת לווייתן כחול צריכה לאכול בין 4 ל-8 טון קריל (סוג של סרטנים פלנקטוניים זעירים) ביום על מנת להתקיים. שיטה נוספת הנהוגה אצל היונקים הימים היא העלאת קצב חילוף החומרים, המייצר חום כמוצר לוואי. נוקטים בו למשל דולפינים, מהקטנים ביותר הקיימים ושחיים בדרום הפסיפי, בים הסוב-אנטארקטי (ליד דרום צ'ילה). שמם דולפיני קומרסון, אלה דולפינים קטנים באורך של כמטר וחצי ובמשקל של כ- 50 ק"ג. הם חיים במים מאוד קרים ומאחר שגודל הוא לא הצד החזק שלהם הם נסמכים על קצב חילוף חומרים מוגבר. מכיוון שחילוף חומרים דורש אנרגיה, הקומרסונים אוכלים כ-15% ממשקל גופם ביום, לעומת דולפינים רגילים האוכלים כ- 5% ממשקל גופם ביום (להשוואה – זה כאילו אדם במשקל 70 ק"ג יאכל 10.5 ק"ג דגים בכל יום).
שיטה אחרונה שנזכיר כאן היא כליאת אוויר בפרווה, כמו שעושים בעלי חיים יבשתיים. שיטה זו מוגבלת מאוד בים, משום שדרושה פרווה עבה, צפופה ושומנית שתגן על האוויר שבתוכה מפני בריחה מתחת למים. שיטה זו אינה השיטה האופטימלית לבידוד מתחת למים, אך היא יעילה מאוד לבעלי-חיים הצריכים לבלות זמן רב ביבשה, באזורים קרים מאוד, שם האוויר הוא הבידוד האידיאלי. בשיטה זו משתמשים דובי-הים, שהם תצורה מיוחדת של אריות-ים בעלי פרווה עבה ושנקראים בלעז Fur Seals .
הסתגלות חושים
שמיעה
עיקר הבעיה במים היא הבדלי העכבה האקוסטית בין המים לאוויר, הגורמים לקושי באיכון מקור הקול לבעלי-חיים ששמיעתם התפתחה ביבשה. ישנם פתרונות מגוונים לבעיה זו, החל בשמיעה אמפיבית אצל אריות-ים – הם יכולים לשמוע היטב ביבשה ובמים הודות למבנה עצמות שמע מסיבי ובידוד חלקי של האוזניים מהגולגולת - ועד לפתרון לשמיעה תת-מימית כמעט מוחלטת אצל דולפינים, שהסבו את עצמות הלסת התחתונה למוליכי קול, ביטלו את עור התוף והסבו את אחת מעצמות הגולגולת ל"עצם תוף". בנוסף, הם בידדו באופן מושלם את האוזניים מעצמות הגולגולת.
נושא זה כוסה בפירוט רב בכתבה מגיליון 45 של "צלילה", "צלילים בעולם הדממה".
ראייה
על קצה המזלג, ראייה "יבשתית" בנויה על בסיס שבירת האור בשני אזורים בעין. הקרנית (החלק השקוף הכי קדמי בעין, עליו מניחים את עדשות המגע) והעדשה. אצל יונקים יבשתיים, הקרנית אחראית ל-70% מהמיקוד ואילו העדשה רק ל-30% ממנו. המיקוד בקרנית מבוסס על כך שהאור נשבר בעוברו מהאוויר לעין (שהיא סביבה מימית כמעט) וזווית השבירה תלויה בזווית בה פוגע האור. האור נשבר שוב בפוגעו בעדשה, העשויה מחומר צפוף יותר משל הקרנית והעין. גם כאן השבירה של האור והמיקוד תלויים בזווית הפגיעה של האור ומכיוון שאנו יכולים לכווץ ולהרפות את העדשה, אנו יכולים למקד את הראייה לקרוב ולרחוק.
במים הקרנית אינה יכולה לשמש למיקוד, משום שהסביבה היא מימית והאור לא נשבר בפוגעו בקרנית. במים אנו תלויים רק במיקוד של העדשה. מכיוון שהעין האנושית בנויה כך שהאור המגיע לעדשה יישבר קודם בקרנית, איננו יכולים למקד את הראייה במים. הפתרון שאנו מצאנו הוא הכנסת שכבת אוויר בין הקרנית למים, בעזרת מסיכת הצלילה.
יונקים ימיים נחלקים לכמה סוגים, כפי שאמרתי כמה פעמים. הלווייתנאים, שלעולם אינם עוזבים את המים, תלו את כל יהבם בעדשה גדולה וכמעט כדורית, ומשתמשים רק בעדשה למיקוד (בדומה לדגים למשל). הדבר הזה הופך אותם לרואים היטב במים, אך לקצרי-רואי מחוץ למים, כאשר הקרנית חוזרת לתפקד. במילים אחרות, המיקוד נעשה מעט לפני הרשתית, שהיא המקבילה לפילם או לחיישן האופטי בעין. אריות-הים, הזקוקים לראייה גם בים וגם ביבשה מצאו פתרון חלקי לראייה ביבשה: הם מצמצמים מאוד את האישונים מחוץ למים וכך מקבלים אפקט כמו מצלמת חריר – כלומר, כל הקרניים מגיעות במקביל משום שחור האישון קטן וכך נחסך הצורך במיקוד. בנוסף, החומר הלבן המרכיב את העין דק מאוד בשוליו, כך שהעין נעשית שטוחה יותר ביציאה ליבשה. הדבר הזה מקטין את המרחק בין העדשה לרשתית ומאפשר עוד התגברות על קוצר הראייה.
לכל בעלי-החיים הימיים יש הפרשה מוגברת של חומר הגנה על העין, המאפשר להם הגנה כנגד המים המלוחים. אריות-ים וכלבי-ים נראים לפעמים ביבשה כאילו הם בוכים, בשל זליגת חומר ההגנה מזווית העין, בדומה לדמעות.
עוד התאמה של מערכת הראייה היא עין מאוד גדולה המאפשרת מעבר של אור רב, כהתאמה לסביבה חשוכה וכן שכבה מחזירת אור בתוך העין, המגבירה אף היא את האור בעין. שכבה כזאת קיימת גם בכמה בעלי-חיים יבשתיים, ורובכם בוודאי נתקלתם בעיניים הזוהרות של חתול או שועל על הכביש המואר באור המכונית. העיניים הזוהרות הן תוצאה של החזרת האור מהשכבה הזאת שפירוש שמה הלטיני (tapetum lucidum) הוא "השכבה המאירה".
עוד הסתגלות להיעדר האור במים - מכיון שידוע לכולנו כי רוב ספקטרום האור נעלם במים העמוקים מלבד הכחול והירוק, ויתרו רוב היונקים הימיים על רוב תאי הראייה הרגישים לצבעים ובמקומם יש להם תאים הרגישים לגוונים של אורך הגל 490 ננומטר (איפשהו בין כחול לירוק), מה שאפקטיבית גורם להם להיות עוורי צבעים.
קייים באריות-ים, לא נחקר בכלבי-ים וחסר לחלוטין בלווייתנאים. ללווייתנאים אין אפילו אונת הרחה במוח.
קיימות עוד הרבה מאוד בעיות והתאמות שלא נגעתי בהן כלל, כמו שינה, רבייה ועוד, אבל הגיליון קצר והנושא עצום. נזכיר רק עוד הסתגלות חשובה אחת:
משק המים
היונקים הימיים, למרות שהם טובלים במים רוב הזמן, חיים בעצם בסביבה ללא מים מתוקים זמינים. אז איך משיגים מים מתוקים בעולם מלא מי-מלח? פיתרון אחד, המתאים גם להישרדות אדם בים, הוא אכילת דגים. נוזלי הגוף של הדג (כמו שלנו) מכילים כרבע מריכוז המלחים במי הים והכליה (גם היבשתית) מתמודדת איתם בקלות. כל גוף עשוי מכ-70% מים וכך גם הדגים. ה"חוכמה" היא לנצל את כל המים האלה בלי לאבד מים מיותרים בעיכול ואת זה עושים היונקים הימים מצויין. פרט לכך, היונקים הימיים מפיקים מים מתוך השומן הנמצא בדגים, כאשר בתהליך הפיכת השומן לאנרגיה, ניתן להפיק 1.3 גרם מים מכל גרם שומן וזאת על ידי תהליכי חימצון. גם אם לא כל השומן מנוצל להפקת מים, אפשר לאגור אותו בתור שומן גוף ואת שומן הגוף ניתן להפוך למים בעתות מצוקה, בדומה למה שעושה הגמל ביבשה.
אותם יונקים ימיים כמו לוויתני מזיפות וחלק מהטורפים הימיים האוכלים בעיקר חסרי חוליות, אשר נוזלי גופם מכילים מלחים בריכוז של 50-80% מהריכוז במי הים, פיתחו יכולת גבוהה של ריכוז שתן. זאת אמנם נופלת מיכולת הכליה של יונק מדברי, אך עדיין מאפשרת היפטרות מעודפי המלח המגיעים עם המזון ועם הכמויות הקטנות של מי ים הנבלעים איתו.
הרבה שנות אבולוציה נדרשו ליונקים הימיים על מנת להסתגל בחזרה לחיים במי-הים. הלווייתנאים, שעושים בים כבר 50 מליון שנה, הסתגלו בצורה כמעט מושלמת ואילו הסנפיר-רגליים, הנמצאים בסביבה "רק" 30 מליון שנה, עדיין בדרך להפוך ליונק הימי המושלם.
