Доминик Стэтхем
Фото ©depositphotos.com/Yourth2007
Electrophorus electricus ) обитает в темных водах болот и рек в северной части Южной Америки. Это таинственный хищник, обладающий сложной системой электролокации и способный перемещаться и охотиться в условиях низкой видимости. Используя «электрорецепторы» для определения искажений электрического поля, вызванных его собственным телом, он способен обнаруживать потенциальную жертву, сам при этом оставаясь незамеченным. Он обездвиживает жертву с помощью сильнейшего электрического шока, достаточно сильного, чтобы оглушить такое крупное млекопитающее, как лошадь, или даже убить человека. Своей удлиненной округлой формой тела угорь напоминает рыбу, которую мы обычно называем муреной (порядок Anguilliformes); однако принадлежит к другому порядку рыб (Gymnotiformes).Рыб, способных обнаруживать электрические поля, называют электрорецептивными , а способных генерировать мощное электрическое поле, таких как электрический угорь, называют электрогенными .
Как электрический угорь генерирует такое высокое электрическое напряжение?
Электрические рыбы – не единственные, кто способен генерировать электричество. Фактически все живые организмы делают это в той или иной мере. Мышцы нашего тела, к примеру, управляются мозгом с помощью электрических сигналов. Электроны, вырабатываемые бактериями, могут быть использованы для выработки электричества в топливных клетках, которые называются электроцитами. (см. таблицу ниже). И хотя каждая из клеток несет незначительный заряд, благодаря тому, что тысячи таких клеток собираются в серии, подобно батарейкам в фонарике, может быть выработано напряжение до 650 вольт (V). Если организовать эти ряды в параллели, можно получить электрический ток силой в 1Ампер (A), что дает электрический удар силой в 650 ватт (W; 1 W = 1 V × 1 A).
Каким образом угрю удается не оглушать самого себя электрическим током?
Фото:CC-BY-SA Steven Walling via Wikipedia
Ученые не знают точно, как ответить на этот вопрос, но результаты некоторых интересных наблюдений могут пролить свет на данную проблему. Во-первых, жизненно важные органы угря (например, мозг и сердце) расположены возле головы, вдалеке от органов, вырабатывающих электричество, и окружены жировой тканью, которая может действовать в виде изоляции. Кожа также имеет изолирующие свойства, поскольку, согласно результатам наблюдений, угри с поврежденной кожей более подвержены самооглушению электрическим ударом.
Во-вторых, наиболее сильные электрические удары угри способны наносить в момент спаривания, не нанося при этом вреда партнеру. Однако если удар такой же силы нанести другому угрю не во время спаривания, это может его убить. Это предполагает, что у угрей существует некая система защиты, которую можно включать и отключать.
Мог ли электрический угорь возникнуть в результате эволюции?
Очень трудно представить себе, как это могло бы произойти в ходе незначительных изменений, как того требует процесс, предложенный Дарвиным. В случае, если ударная волна была важной с самого начала, то вместо того, чтобы оглушить, она предупреждала бы жертву об опасности. Более того, чтобы в ходе эволюции выработать способность оглушать жертву, электрическому угрю пришлось бы одновременно вырабатывать и систему самозащиты. Каждый раз, когда возникала мутация, увеличивающая силу электрического удара, должна была возникать и другая мутация, улучшающая электроизоляцию угря. Кажется маловероятным то, что одной мутации было бы достаточно. К примеру, для того, чтобы передвинуть органы ближе к голове, понадобилось бы целая серия мутаций, которые должны были возникнуть одновременно.
Хотя немногие рыбы способны оглушать свою добычу, существует множество видов, использующих электричество низкого напряжения для навигации и общения. Электрические угри относятся к группе южно-американских рыб, известных под названием «ножетелки» (семейство Mormyridae), которые тоже используют электролокацию и, как считается, развили эту способность наряду со своими южно-американскими собратьями . Более того, эволюционисты вынуждены заявлять, что электрические органы у рыб эволюционировали независимо друг от друга восемь раз . Если учесть сложность их строения, поражает уже то, что эти системы могли развиться в ходе эволюции хотя бы один раз, не говоря уже о восьми.
Ножетелки из Южной Америки и химеровые из Африки используют свои электрические органы для определения местонахождения и коммуникации, и используют ряд различных видов электрорецепторов. В обеих группах есть виды, продуцирующие электрические поля разных сложных форм волны. Два вида ножетелок, Brachyhypopomus benetti и Brachyhypopomus walteri настолько похожи друг на друга, что их можно было бы отнести к одному виду, однако первый из них вырабатывает ток постоянного напряжения, а второй – ток переменного напряжения. Эволюционная история становится еще более примечательной, если копнуть еще глубже. Для того, чтобы их аппараты электролокации не мешали друг другу и не создавали помех, некоторые виды используют специальную систему, с помощью которой каждая из рыб меняет частоту электрического разряда. Примечательно, что эта система работает практически так же (используется такой же вычислительный алгоритм), как у стеклянной ножетелки из Южной Америки (Eigenmannia ) и африканской рыбы аба-аба (Gymnarchus ). Могла ли такая система устранения помех независимо развиться в ходе эволюции у двух отдельных групп рыб, обитающих на разных континентах?
Шедевр Божьего творения
Энергетический агрегат электрического угря затмил все творения человека своей компактностью гибкостью, мобильностью, экологической безопасностью и способностью к самовосстановлению. Все части этого аппарата идеальным образом интегрированы в лощеное тело, что дает угрю возможность плыть с большой скорость и проворством. Все детали его строения – от крохотных клеток, вырабатывающих электричество, до сложнейшего вычислительного комплекса, анализирующего искажения производимых угрем электрических полей, - указывают на замысел великого Создателя.
Как электрический угорь генерирует электричество? (научно-популярная статья)
Электрические рыбы генерируют электричество подобно тому, как это делают нервы и мышцы в нашем теле. Внутри клеток-электроцитов особые энзимные протеины под названием Na-K ATФаза выкачивают натриевые ионы через клеточную мембрану, и всасывают ионы калия. (‘Na’ – химический символ натрия, а ‘K’ – химический символ калия». ‘ATФ’ – аденозинтрифосфат – энергетическая молекула, используемая для работы насоса). Дисбаланс между ионами калия внутри и снаружи клетки приводит к возникновению химического градиента, который снова выталкивает ионы калия из клетки. Подобным образом, дисбаланс между ионами натрия порождает химический градиент, который затягивает ионы натрия обратно в клетку. Другие протеины, встроенные в мембрану, действуют в виде каналов для ионов калия, пор, позволяющих ионам калия покинуть клетку. По мере того, как ионы калия с позитивным зарядом накапливаются снаружи клетки, вокруг клеточной мембраны нарастает электрический градиент, при чем наружная часть клетки имеет более позитивный заряд, чем ее внутренняя часть. Насосы Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденозинтрифосфатазы) построены таким образом, что они выбирают лишь один позитивно заряженный ион, иначе негативно заряженные ионы также стали бы перетекать, нейтрализуя заряд.
Большая часть тела электрического угря состоит из электрических органов. Главный орган и орган Хантера отвечают за выработку и накопление электрического заряда. Орган Сакса вырабатывает электрическое поле низкого напряжения, которое используется для электролокации.
Химический градиент действует таким образом, что выталкивает ионы калия, а электрический градиент втягивает их обратно. В момент наступления баланса, когда химические и электрические силы упраздняют друг друга, снаружи клетки будет находиться примерно на 70 милливольт больше позитивного заряда, чем внутри. Таким образом, внутри клетки оказывается негативный заряд в -70 милливольт.
Однако большее количество протеинов, встроенных в клеточную мембрану, обеспечивают каналы для ионов натрия – это поры, которые позволяют ионам натрия снова попадать в клетку. В обычном состоянии эти поры перекрыты, однако когда электрические органы активируются, поры раскрываются, и ионы натрия с позитивным зарядом снова поступают в клетку под воздействием градиента химического потенциала. В данном случае баланс достигается, когда внутри клетки собирается позитивный заряд до 60 милливольт. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 милливольт, и это составляет 130 mV или 0.13 V. Этот разряд происходит очень быстро, примерно за одну миллисекунду. И поскольку в серии клеток собрано примерно 5000 электроцитов, благодаря синхронному разряду всех клеток может вырабатываться до 650 вольт (5000 × 0.13 V = 650).
Насос Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденазинтрифосфотазы). За каждый цикл два иона калия (K +) поступают в клетку, а три иона натрия (Na +) выходят из клетки. Этот процесс приводится в движение энергией АТФ молекул.
Глоссарий
Атом или молекула, несущий электрический заряд благодаря неравному количеству электронов и протонов. Ион будет иметь негативный заряд, если в нем содержится больше электронов, чем протонов, и позитивный заряд – если в нем содержится больше протонов, нежели электронов. Ионы калия (K +) и натрия (Na +) имеют позитивный заряд.
Градиент
Изменение какой-либо величины при перемещении от одной точки пространства к другой. Например, если вы отходите от костра, температура понижается. Таким образом, костер генерирует температурный градиент, уменьшающийся с расстоянием.
Электрический градиент
Градиент изменения величины электрического заряда. Например, если снаружи клетки содержится большее количество позитивно заряженных ионов, чем внутри клетки, электрический градиент будет проходить через клеточную мембрану. Благодаря тому, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, ионы будут двигаться таким образом, чтобы сбалансировать заряд внутри и снаружи клетки. Передвижения ионов из-за электрического градиента происходят пассивно, под воздействием электрической потенциальной энергии, а не активно, под воздействием энергии, поступающей из внешнего источника, например из АТФ-молекулы.
Химический градиент
Градиент химической концентрации. Например, если снаружи клетки содержится большее количество ионов натрия, чем внутри клетки, то химический градиент натриевого иона будет проходить через клеточную мембрану. Из-за произвольного движения ионов и столкновений между ними существует тенденция, что ионы натрия будут двигаться от более высоких концентраций к более низким концентрациям до тех пор, пока не будет установлен баланс, то есть пока по обе стороны мембраны не окажется одинаковое количество ионов натрия. Это происходит пассивно, в результате диффузии. Движения обусловлены кинетической энергией ионов, а не энергией, получаемой из внешнего источника, такого как АТФ молекула.
17 августа 2016 в 21:31Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»
- Научно-популярное ,
- Биотехнологии ,
- Физика ,
- Экология
Электрический угорь (Источник: youtube)
Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) - единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес - 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет - птицами или мелкими млекопитающими. Ученые изучают электрического угря десятки (если не сотни) лет, но только сейчас начали проясняться некоторые особенности строения его тела и ряда органов.
Причем способность вырабатывать электричество - не единственная необычная черта электрического угря. К примеру, дышит он атмосферным воздухом. Это возможно благодаря большому количеству особого вида ткани ротовой полости, пронизанной кровеносными сосудами. Для дыхания угрю нужно каждые 15 минут всплывать к поверхности. Из воды кислород брать он не может, поскольку обитает он в очень мутных и мелких водоемах, где очень мало кислорода. Но, конечно, главная отличительная черта электрического угря - это его электрические органы.
Они играют роль не только оружия для оглушения или убийства его жертв, которыми угорь питается. Разряд, генерируемый электрическими органами рыбы, может быть и слабым, до 10 В. Такие разряды угорь генерирует для электролокации. Дело в том, что у рыбы есть специальные «электрорецепторы», которые позволяют определять искажения электрического поля, вызываемые его собственным телом. Электролокация помогает угрю находить путь в мутной воде и находить спрятавшихся жертв. Угорь может дать сильный разряд электричества, и в это время затаившаяся рыба или земноводное начинает хаотично дергаться из-за судорог. Эти колебания хищник без труда обнаруживает и съедает жертву. Таким образом, эта рыба является одновременно и электрорецептивной и электрогенной.
Интересно, что разряды различной силы угорь генерирует при помощи электрических органов трех типов. Они занимают примерно 4/5 длины рыбы. Высокое напряжение вырабатывают органы Хантера и Мена, а небольшие токи для навигационных целей и коммуникационных целей генерирует орган Сакса. Главный орган и орган Хантера размещаются в нижней части тела угря, орган Сакса - в хвосте. Угри «общаются» между собой при помощи электрических сигналов на расстоянии до семи метров. Определенной серией электрических разрядов они могут привлекать к себе других особей своего вида.
Как электрический угорь генерирует электрический разряд?
Угри этого вида, как и ряд других «электрифицированных» рыб воспроизводят электричество тем же образом, что и нервы с мышцами в организмах других животных, только для этого используются электроциты - специализированные клетки. Задача выполняется при помощи фермента Na-K-АТФазы (кстати, этот же фермент очень важен и для (лат. Nautilus)). Благодаря ферменту образуется ионный насос, выкачивающий из клетки ионы натрия, и закачивающий ионы калия. Калий выводится из клеток благодаря специальным белкам, входящих в состав мембраны. Они образуют своеобразный «калиевый канал», через который и выводятся ионы калия. Внутри клетки скапливаются положительно заряженные ионы, снаружи - отрицательно заряженные. Возникает электрический градиент . Разница потенциалов в результате достигает 70 мВ. В мембране той же клетки электрического органа угря есть и натриевые каналы, через которые ионы натрия могут снова попасть в клетку. В обычных условиях за 1 секунду насос выводит из клетки около 200 ионов натрия и одновременно переносит в клетку приблизительно 130 ионов калия. На квадратном микрометре мембраны может разместиться 100- 200 таких насосов. Обычно эти каналы закрыты, но в случае необходимости они открываются. Если это произошло, градиент химического потенциала приводит к тому, что ионы натрия снова поступают в клетки. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 мВ, и клетка дает разряд в 130 мВ. Продолжительность процесса - всего 1 мс. Электрические клетки соединяются между собой нервными волокнами, соединение - последовательное. Электроциты составляют своеобразные столбики, которые соединяются уже параллельно. Общее напряжение генерируемого электрического сигнала достигает 650 В, сила тока - 1А. По некоторым данным, напряжение может достигать даже 1000 В, а сила тока - 2А.
Электроциты (электрические клетки) угря под микроскопом
После разряда снова действует ионный насос, и электрические органы угря заряжаются. По мнению некоторых ученых, насчитывается 7 типов ионных каналов мембраны клеток электроцитов. Расположение этих каналов и чередование типов каналов влияет на скорость производства электричества.
Разряд электрической батареи
По результатам исследования Кеннета Катания (Kenneth Catania) из Университета Вандербильта (США), угорь может использовать три типа разряда своего электрического органа. Первый, как и упоминалось выше - это серия низковольтных импульсов, которые служат для коммуникации и навигационных целей.Второй - последовательность из 2-3 высоковольтных импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Этот способ используется угрем при охоте на спрятавшуюся и затаившуюся жертву. Как только дано 2-3 разряда высокого напряжения, мышцы затаившейся жертвы начинают сокращаться, и угорь может без труда обнаружить потенциальную еду.
Третий способ - ряд высоковольтных высокочастотных разрядов. Третий способ угорь использует при охоте, выдавая за секунду до 400 импульсов. Этот способ парализует практически любое животное небольшого и среднего размера (даже человека) на расстоянии до 3 метров.
Кто еще способен вырабатывать электрический ток?
Из рыб на это способны около 250 видов. У большинства электричество - лишь средство навигации, как, например, в случае слоника нильского (Gnathonemus petersii).Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.
Электрический сом (
У некоторых рыб есть органы, вырабатывающие электрический ток. О таких рыбах знали еще в глубокой древности. Электрического сома изображали на гробницах в Древнем Египте 6 тыс. лет назад. Вероятно, уже тогда знали о лечебном действии его электрических разрядов. Прикладывать электрическую рыбу к телу больного рекомендовал и знаменитый древнеримский врач Гален.
Электрические органы этого сома, расположенные почти по всей длине тела рыбы, дают разряды напряжением до 360 В. А органы электрических скатов, живущих в тропических и субтропических водах океанов, производят целую серию разрядов, до сотни подряд, "напряжением до 220 В. Самые мощные электрические органы у электрических угрей, обитающих в реках тропической Америки. Их разряды достигают напряжения 650 В и силы около 2 А. Сила этих разрядов постепенно уменьшается до тех пор, пока они не прекращаются совсем. Для их "зарядки" требуется время. Сигналы к генерации электричества поступают в электрические органы по нервам.
Очень сильные разряды электрического ската торпедо защищают его от хищников - акул и осьминогов - и помогают скату охотиться за мелкой рыбой, которую эти разряды парализуют или даже убивают.
Расположение электрических органов у электрического ската
Электрические органы с мощными разрядами построены по принципу вольтова столба и служат для защиты и нападения. Разряды действуют на расстоянии до 6 м, парализуя рыб, моллюсков, ракообразных и других водных животных. Электрической рыбе остается только проглотить жертву.
Другая группа электрических рыб, например африканские мормирусы, испускает серию низковольтных импульсов, создавая вокруг себя электрическое поле. По искажению этого поля при попадании в него любого предмета рыбы находят в мутной воде добычу, особей противоположного пола или обнаруживают преграду.
Электрические органы в большинстве случаев состоят из особых клеток - электроцитов, происшедших в процессе эволюции из мышечных клеток.
Об электрических особенностях сильноэлектрических рыб человек знает давно. Наскальные древнеегипетские рисунки и начертания некоторых египетских иероглифов донесли до нас изображение электрического сома. Древнегреческим ученым был известен таинственный скат, обитающий у берегов Средиземного моря. Аристотель писал, что эта рыба «заставляет цепенеть животных, которых она хочет поймать, пересиливая их силой удара, живущего у нее в теле». Врачи Древнего Рима использовали удары скатов для лечения нервных заболеваний.
Связь этих загадочных явлений с электричеством была установлена только в XVIII в. М. Адансоном. В XVIII-XIX вв. некоторые физики и физиологи использовали электрических рыб в качестве источников электрического тока. Так, А. Гумбольдт работал с электрическим угрем, Д. Реймон и М. Фарадей - с электрическими сомом и скатом В то время изучением электрических рыб занимались многие исследователи, среди них особое место принадлежало английскому физику Г. Кавендишу, впервые замерившему электрическое поле ската.
Исследования электрических явлении в живых тканях открыли в физике эру электричества В 1791 г. А. Гальвани выдвинул предположение, что каждое мышечное волокно представляет собой своеобразную лейденскую банку, заряженную электричеством. «Электричество содержится если не во всех, то во всяком случае в очень многих частях животного»,- писал Гальвани в «Трактате о силах электричества при мышечном движении».
Однако экспериментальные доказательства того, что в живых тканях имеется электричество, были получены лишь в 1832 г. Эта заслуга принадлежит Фарадею. Свои опыты он проводил на мраморном электрическом скате.
Во времена Фарадея предполагалось, что существует обыкновенное электричество (или электростатическое), получаемое в результате трения некоторых предметов; гальваническое (химическое), воздействующее на нервно-мышечные препараты и вызывающее нагревание проводников, разложение солей, кислот, щелочей; термоэлектричество, возникающее в участках проводников с разными температурами, а также в местах спайки неоднородных проводников; магнитоэлектричество, появляющееся при пересечении магнитных полей замкнутыми проводниками, и, наконец, «животное» электричество - биоэлектричество, присущее некоторым рыбам и воздействующее на расстоянии на других животных Фарадей доказал, что биоэлектричество ничем не отличается от других видов электричества. Сопоставив физические и химические действия, производимые ими, он заключил, что отдельные виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник. Явления, присущие разным видам электричества, отличаются не по своей природе, а лишь количественно. Это означает, что никаких особых свойств, присущих «животному» электричеству, нет.
Каким же образом возникает биоэлектричество? Долгое время ученые не могли найти ответ на этот вопрос. В 1912 г немецкий ученый Ю. Бернштейн выдвинул гипотезу о генерации «животного» электричества. В ее основу легли результаты его опытов на электрическом органе ската. Ученый установил, что колебания температуры ЭДС поврежденного нерва или мышцы прямо пропорциональны температуре. Он измерил температуру электрического органа ската во время разряда и обнаружил, что он охлаждается. Бернштейн предположил, что биоэлектрическая ЭДС возникает в результате ионных реакций. Это подтверждало также влияние, которое оказывало изменение концентрации солей в жидкости, окружающей нерв или мышцу (или электрический орган), на возникающую в этих тканях ЭДС. Величины, полученные опытным путем, хорошо согласовывались с теоретическими данными. Однако ответ на вопрос, откуда же электрический орган получает энергию, необходимую для возникновения разряда, так и не был получен.
С тех пор прошло более 60 лет. Возникновение электричества в живых тканях, или электрогенез, изучали многие ученые. Мнения всех исследователей сошлись на том, что основную роль при электрогенезе играют клеточные мембраны, обладающие способностью «сортировать» положительные и отрицательные ионы вне и внутри клетки в зависимости от ее физиологического состояния (т. е. степени возбуждения).
В результате «сортировки» разноименных зарядов между внутренней и внешней сторонами мембраны возникает разность электрических потенциалов Если клетка возбуждается, проводимость мембраны по отношению к электрическому току увеличивается: положительно и отрицательно заряженные ионы устремляются через нее навстречу друг другу. В результате по обе стороны мембраны выравнивается количество различно заряженных ионов, а следовательно, выравнивается и разность потенциалов. Таким образом в клетке происходит постоянное изменение разности потенциалов. «Биологическое» электричество как бы переносит определенную информацию и тем самым координирует сложные внутренние процессы жизнедеятельности организма.
Электрические потенциалы распространяются по нервам, сопротивление которых очень велико «Если бы инженер-электрик,- писал американский ученый А. Ходжкин,- заглянул в нервную систему, он обнаружил бы, что передача информации в ней представляет собой сложную проблему.. В нервном волокне диаметром в 1 мк протоплазма обладает удельным сопротивлением в 100 Ом/см, т. е. нерв длиной в 1 м имеет такое же сопротивление, что и медная проволока 22 калибра длиной в 10 раз большей, чем расстояние от Земли до Сатурна. Для осуществления передачи по кабелю такой длины пришлось бы для усиления сигналов применять своеобразные подпитывающие энергией устройства. Именно так природа решила эту задачу. Импульсы возникают вновь в каждом участке нерва между перехватами Ранвье».
Каким же образом происходит «ретрансляция» сигналов в нервном волокне? В невозбужденном участке нерва его аксоплазма заряжена отрицательно и находится по отношению к наружному раствору, омывающему нерв, под «потенциалом покоя» (50-70 мВ).
В момент возникновения импульса катионы натрия (или его заменителя) в участках нерва, не покрытых миэлином (в перехватах Ранвье), проникают внутрь нерва через мембрану, так как ее электрическое сопротивление уменьшается почти в 100 раз. В результате заряд аксоплазмы становится положительным и между внутренней и внешней сторонами мембраны возникает электрический ток.
Распространяясь по нерву, электрический процесс постепенно затухает. Одновременно с ним ослабевает и электрический импульс, но, дойдя до следующего перехвата Ранвье, он возбуждает соседний участок нерва, и все повторяется вновь. Таким образом электрические импульсы распространяются по нерву со скоростью 60-120 м/с; частота следования достигает 1000 импульсов в 1 с, а длительность - 0,001 с.
Биологическое электричество служит для координации сложных внутренних процессов жизнедеятельности Но огромное количество разнообразных организмов обитает в воде - среде, имеющей сравнительно высокую электропроводимость. В связи с этим некоторые из них в процессе эволюции приобрели способность генерировать электричество для осуществления различных внешних актов своего существования.
О большой роли электричества в жизни водных организмов свидетельствует их способность ориентироваться в слабых электрических полях. Ею обладают простейшие, некоторые моллюски (например, речная улитка), ракообразные и черви. Но совершенства в этом отношении достигли рыбы. Известный английский нейрокибернетик Г. Уолтер так характеризует эту особенность: «Несколько сот видов рыб генерируют токи, намного превышающие их „бытовые“ потребности. Один из видов генерирует ток напряжением до 600 В. Разряд такого напряжения достаточен, чтобы убить человека или зверя Их мышечные клетки соединены последовательно и параллельно, подобно пластинам Вольтова столба. Но как используется такая „силовая станция“, остается тайной. Возможно, такое устройство служит для защиты. Некоторые виды используют его при движении в мутной воде; другие - „телеграфисты глубин“ - для взаимосвязи В любом случае электропитание в сотни вольт кажется экстравагантным. Мозг человека для всей своей сложной деятельности нуждается в генерации лишь одной десятой вольта».
Механизм генерации электрического тока в разных клетках и тканях организма одинаков. Некоторые различия, проявляющиеся как в скорости распространения импульсов, так и в величине потенциалов, связаны со специфическими особенностями клеток Например, потенциал действующей отдельной электрической клетки электрического угря составляет 120-150 мВ, клетки сердечной мышцы лягушки - 120, клетки портняжной мышцы - 110, мотонейрона спинного мозга кошки - 90 мВ. Следовательно, потенциал клеток электрического органа ненамного превышает потенциалы других клеток Разряды высокого напряжения в электрических органах рыб возникают поэтому в результате суммирования потенциалов отдельных электрических клеток.
Специализированные электрогенераторные клетки электрических рыб произошли из мышечных (у большинства видов), нервных (у некоторых электрических угрей) или железистых (у электрического сома) клеток. Толщина их очень мала, поэтому такие клетки называют электрическими пластинками (Типичная электрическая клетка представляет собой видоизмененную мышечную двигательную пластинку) На гистологических срезах электрических органов электрических скатов отчетливо видна полосатая исчерченность, характерная для мышечной ткани.
Электрическая пластинка покрыта оболочкой - электролеммой. У разных видов рыб пластинки весьма разнообразны по форме: у электрического сома, например, они напоминают розетки, у скатов - чаши. Их характерный признак - сравнительно большая площадь поверхности при незначительной толщине.
К одной из сторон электрической пластинки обычно подходит множество нервных окончаний. Эта сторона называется лицевой и является мембраной клетки; она управляет распределением ионов натрия, калия, кальция и хлора. К другой стороне пластинки, в которой рассеяны ее многочисленные ядра, подходят кровеносные сосуды. Хотя у некоторых электрических рыб типы иннервации несколько отличаются, все они предназначены прежде всего для согласования разрядов отдельных пластинок.
Механизм возникновения потенциалов в электрических пластинках рыб в принципе одинаков для клеток всех типов: генерация электрических импульсов обусловлена распределением ионов по обе стороны мембран. Так как нервные окончания располагаются с одной стороны электрической пластинки, во время разряда она становится электроотрицательной по отношению к другой стороне.
Различают два типа мембран: одни возбуждаются только химическими медиаторами, другие - еще и электрическими импульсами. Мембраны первого типа имеются в электрических клетках морских рыб, второго - в клетках пресноводных рыб. В зависимости от того, каким образом комбинируются эти мембраны, можно выделить три типа электрических клеток с характерными функциями Их строение и принцип работы схематично показаны на рис. 1.
Верхние полосы обозначают мембраны, которые можно сравнить с полюсами электрических батарей. Заштрихованными полосами показана внутренняя часть мембраны, заряженная отрицательно; внешняя часть заряжена положительно. Слева на схеме изображено распределение потенциалов в мембранах невозбужденных клеток, справа - распределение потенциалов и направление тока (а также форма образующегося импульса) при его прохождении через клетку и воду, когда клетка возбуждена.
На рис. 1, а показано строение и работа электрических клеток морских рыб. Они представляют собой две мембраны, возбуждаемые химическими медиаторами (ацетилхолином), которые выделяют нервные окончания. Так как у морских рыб иннервируется только одна клеточная мембрана, то лишь в ней и происходит перераспределение потенциалов при возбуждении клетки Возникающий ток проходит через клетку и окружающую рыбу воду в одном направлении Напряжение однофазного импульса между наружными поверхностями клетки в этот момент равно потенциалу покоя клетки (т. е потенциалу невозбужденной клетки). У ската, например, напряжение импульса колеблется в пределах 55-60 мВ
На рис. 1, б и в показана работа электрогенераторных клеток пресноводных электрических рыб. В клетках электрического угря (см. рис 1, б) имеются две различные мембраны, одна из которых неиннервирована и может возбуждаться только химическими, а другая также и электрическими импульсами. Проходящий по нерву электрический импульс вызывает поляризацию мембраны. В момент возбуждения клетки ток проходит через нее и окружающую рыбу воду в одном направлении. Напряжение возникающего между наружными поверхностями клетки импульса несколько превышает потенциал невозбужденной клетки и составляет около 150 мВ.
У пресноводного электрического сома обе мембраны электрически возбудимы. Хотя нервные окончания подходят только к одной мембране, в момент прихода к нерву электрического импульса начинают функционировать обе. При возбуждении ток идет через клетку и воду в двух направлениях: сначала в одном, а затем, спустя некоторое время, в прямо противоположном. Поэтому в момент возбуждения клетки между ее наружными оболочками регистрируется характерный биполярный импульс. Абсолютное значение потенциала этого импульса несколько превышает сумму двух потенциалов клетки в покое.
Таким образом, характер и напряжение импульсов, генерируемых электрическими пластинками, обусловлены их конструкцией и комбинацией мембран. Напряжение импульса зависит также от характера иннервации мембраны и размера электрической пластинки.
Электрические органы всех сильно- и слабоэлектрических рыб - парные образования, симметрично расположенные по бокам тела. Несмотря на видовые морфологические различия, они имеют единый план строения, так как состоят из элементарных электрогенераторов - электрических пластинок, собранных в несколько столбиков; они как бы уложены друг на друга. Так как у пластинок полярность разных сторон различна, то связь их в столбиках представляет собой тип последовательного электрического соединения, что значительно увеличивает общий потенциал разряда.
Ряды столбиков тоже соединены между собой, но уже по типу параллельного электрического соединения. Благодаря этому увеличивается суммарная сила тока разряда. Ориентация столбиков в электрических органах специфична для определенных видов рыб и обусловливает полярность их тела во время разряда. Если лицевая сторона пластинок в столбиках ориентирована в сторону головы, то голова становится электроотрицательной относительно хвоста. При противоположной ориентации столбиков хвост становится электроотрицательным относительно головы (рис. 2).
Управление разрядами электрических органов осуществляется из специальных нервных центров: крупных долей продолговатого мозга или мотонейронов спинного мозга.
Электрические рыбы (закрашенные места обозначают расположение электрических органов)
1 - электрический скат, 2 - обыкновенный скат, 3 - электрический сом, 4 - электрический угорь, 5 - гимнарх, 6 - африканский слоник, 7 - звездочет
Итак, электрические органы рыб представляют собой комбинацию определенным образом взаимосвязанных элементарных генераторов, соединенных последовательно или параллельно При одном и том же расходе мощности N(N = VI) в первом случае повышается напряжение (V) разряда за счет снижения силы тока (I), а во втором I увеличивается за счет снижения напряжения.
В органах различных рыб имеются оба типа соединения элементарных генераторов в соответствии с законом Ома
V = IR,
где R - сопротивление нагрузки, которой в данном случае является вода с разными значениями электропроводности. У рыб, обитающих в пресной воде (характеризующейся по сравнению с морской относительно высоким сопротивлением нагрузки), большая часть элементарных генераторов соединена последовательно, а у морских рыб - параллельно. Этим достигается оптимальное приспособление электрических органов к условиям окружающей среды.
У сильноэлектрических рыб электрические органы составляют значительную часть тела (рис. 3). У электрических угрей, длина которых достигает 3 м, на них приходится 80% от объема тела. Электрическая система угря состоит примерно из 70 столбиков пластинок; каждый столбик включает 6 тыс. отдельных пластинок.
Как уже говорилось, электрические клетки в столбиках соединены последовательно, а ряды столбиков - параллельно. К каждой пластинке, прослоенной студенистым веществом, подходит нервный стволик Лицевая (нервная) сторона пластинки в момент возбуждения становится электроотрицательной, а противоположная - электроположительной. Ток идет внутри органа от концевой пластинки в слой студенистого вещества Электрические пластинки в органах собраны в столбики, расположенные горизонтально, лицевой стороной к хвосту, поэтому разряд у угря идет от хвоста к голове У электрического угря разряд начинается в пластинках, находящихся посредине органа, и затем с огромной скоростью распространяется на электрические пластинки в противоположных концах столбиков.
У скатов электрические органы представляют собой два симметрично расположенных по бокам тела образования. Форма каждого из них напоминает массивную почку. Вес органов составляет 25% веса рыбы. Каждый орган состоит приблизительно из 600 шестигранных столбиков, расположенных подобно пчелиным сотам. В каждом находится около 40 электрических пластинок; их лицевая, электроотрицательная, сторона обращена вниз. К каждой пластинке подходит по одной нервной веточке, которые начинаются от крупных нейронов, находящихся в так называемых электрических долях продолговатого мозга.
Электрогенераторный элемент состоит из нервных пластинок и прилегающих к ним студенистых прослоек. Площадь соприкосновения студенистого вещества с нервными пластинками чрезвычайно велика. Во время разряда ток идет по студенистому веществу снизу вверх. При кратковременной работе температура электрического органа незначительно повышается (на 0,002°), при продолжительной работе - значительно понижается.
Строение электрического органа электрического сома своеобразно. Сильно развитый студенистый слой, залегающий непосредственно под кожей, покрывает мускулатуру и тело как бы сплошным футляром. Электрический орган находится между головой и анальным плавником. Обе его половины сходятся посредине тела рыбы; между ними расположена соединительнотканная перегородка. Орган легко отделяется от подстилающего слоя. Концевые электрические пластинки разбросаны беспорядочно и размещаются поперек тела. Их количество достигает 2 млн. Во время разряда потенциалы отдельных пластинок суммируются - голова сома заряжается электроотрицательно.
Электрический орган сома - преобразованные кожные железы. С каждой стороны к нему подходит по одному мощному нервному волокну диаметром около 1 мм. Далее нервы разветвляются на многочисленные веточки, иннервирующие отдельные ячейки органа Нервы отходят от очень крупной ганглиозной клетки, расположенной в спинном мозге, непосредственно под продолговатым мозгом. При разрезе спинного мозга эту клетку можно видеть даже невооруженным глазом.
Установлено, что именно центральная нервная система управляет разрядами электрических органов. При нагревании головы и охлаждении электрических органов сома частота разрядов увеличивается, а при охлаждении головы и нагревании органов - уменьшается. Такое явление было бы невозможно при автономии электрических органов.
Звездочеты занимают промежуточное положение между сильно- и слабоэлектрическими рыбами. Электрические органы звездочетов расположены позади глаз, в расширенной глазнице (ниже и позади глазного яблока) - между стенкой ротовой полости и теменной костью. Они представляют собой видоизмененные заглазничные мускулы, имеют овальную форму и состоят приблизительно из 200 тонких электрических пластинок, сложенных в вертикальный столбик, лицевой стороной вверх. Вследствие такого расположения пластинок во время разряда спинная сторона рыбы оказывается электроотрицательной, а брюшная - электроположительной.
Электрические органы снабжены мышцами, кровеносными сосудами, зрительными нервами и ветвями глазодвигательного нерва.
Обыкновенные скаты занимают промежуточное положение между сильно- и слабоэлектрическими рыбами. Электрический орган ската расположен по обе стороны позвоночника на протяжении трех задних четвертей хвоста (см рис. 3); его передняя часть переходит в хвостовую мышцу. Орган покрыт соединительнотканной оболочкой, от которой внутрь отходят многочисленные продольные и поперечные перегородки, разделяющие его па маленькие полости или камеры, заполненные студенистым веществом. В каждой камере находится электрическая пластинка Лицевые (электроотрицательные) стороны пластинок у скатов обращены вперед, в связи с чем хвостовая часть во время разряда электроположительна Число камер доходит до 2000 (площадь каждой 2,08 мм2).
Рассмотрим электрические органы пресноводных слабоэлектрических рыб: гимнарха и африканского слоника.
Гимнарх - крупная рыба, достигающая почти 2 м в длину. В его теле восемь электрических органов - по четыре на каждой стороне хвостовой части органа два расположены вверху и два - внизу. Это небольшие нитевидные образования цилиндрической формы, идущие от кончика заостренного хвоста к середине тела Электрические пластинки, имеющие в длину не более 1,2 см, расположены перпендикулярно позвоночнику Они развились из поперечнополосатых мышечных клеток; каждая состоит из 12-30 клеток.
Во время разряда электрические пластинки во всех волокнах работают синхронно. Если рыбу поместить между электродами, к которым подключен вольтметр, можно зафиксировать суммарный импульс, достигающий 4 В. В результате характерной иннервации электрических пластинок возникают двухфазные импульсы, т. е. голова и хвост поочередно становятся по отношению друг к другу то положительными, то отрицательными. Нервы, управляющие электрическим органом, начинаются в больших клетках спинного мозга, расположенных вверху центрального канала, и выходят через брюшные корешки, образуя четыре продольно расположенных электрических нерва.
У африканского слоника электрический орган располагается в хвостовом стебле: начинается под последним лучом спинного плавника и тянется почти на две трети его длины. Орган состоит из четырех волокон: по два на каждой стороне хвостового стебля. Каждое волокно включает столбик электрических пластинок; всего их 92-123. Они плотно прилегают друг к другу, образуя единую систему. При движении рыбы орган не изгибается. Все пластинки строго перпендикулярны оси тела, что обеспечивает постоянную структуру электрического поля и суммирование образующих потенциалов.
Электрические пластинки африканского слоника имеют сложную иннервацию, в результате чего возникает суммарный двухфазный импульс. Разность потенциалов разряда рыбы, помещенной между электродами, достигает 7-17 В. Иннервация органа осуществляется двигательными спинномозговыми нервами.
На концах элементарных электрических органов имеются образования из студенистой массы, возникшей из соединительной ткани. Они представляют собой переход от электрических органов к остальным тканям и, возможно, служат своеобразными каналами, по которым ток распространяется по телу.
Все виды рыб, входящие в подотряд гимнотовидных (к ним относится и африканский слоник), обладают электрическими органами.
Несмотря на существование различия в строении тела, в структуре этих органов много общего. Электрические органы расположены по одному па боках на всем протяжении тела от кончика хвоста до головы. Форма электрических пластинок у разных видов рыб различна: она напоминает цилиндры или диски, стержни или веретена. В связи с различным строением электрических органов рыбы генерируют специфические для каждого вида разряды.
5. «Волны смерти»
Кстати, живое электричество является причиной многих весьма странных явлений, которые наука объяснить до сих пор не в силах. Пожалуй, самое известное из них – «волна смерти», открытие которой повлекло новый этап споров о существовании души и о природе «околосмертного опыта», о котором иногда рассказывают люди, пережившие клиническую смерть.
В 2009 году в одной из американских больниц были сняты энцефолограммы у девяти умирающих людей, которых на тот момент было уже не спасти. Эксперимент проводился, чтобы разрешить давний этический спор о том, когда человека действительно мертв. Результаты были сенсационными – после смерти у всех испытуемых мозг, который уже должен был быть умерщвлён, буквально взрывался – в нем возникали невероятно мощные всплески электрических импульсов, которые никогда не наблюдались у живого человека. Они возникали через две-три минуты после остановки сердца и продолжались примерно три минуты. До этого, подобные эксперименты проводились на крысах, у которых то же самое начиналось спустя минуту после смерти и продолжалось 10 секунд. Подобное явление ученые фаталистично окрестили «волной смерти».
Научное объяснение «волнам смерти» породило множество этических вопросов. По словам одного из экспериментаторов, доктора Лакхмира Чавла, подобные всплески мозговой активности объясняются тем, что от недостатка кислорода нейроны теряют электрический потенциал и разряжаются, испуская импульсы «лавинообразно». «Живые» нейроны постоянно находятся под небольшим отрицательным напряжением – 70 миннивольт, которое удерживается, за счет избавления от положительных ионов, которые остаются снаружи. После смерти – равновесие нарушается, и нейроны быстро меняют полярность с «минуса» на «плюс». Отсюда и «волна смерти».
Если эта теория верна, «волна смерти» на энцефолограмме проводит ту неуловимую черту между жизнью и смертью. После нее работу нейрона восстановить нельзя, организм больше не сможет получать электрические импульсы. Иными словами, дальше врачам уже нет смысла бороться за жизнь человека.
Но, что если посмотреть на проблему с другой стороны. Предположить, что «волна смерти» - последняя попытка мозга дать сердцу электрический разряд, чтобы восстановить его работу. В таком случае, во время «волны смерти» нужно не складывать руки, а напротив использовать этот шанс для спасения жизни. Так утверждает доктор-реаниматолог, Ланс-Беккер из Пенсильванского Университета, указывая на то, что бывали случаи, когда человек «оживал» после «волны», а значит яркий всплеск электрических импульсов в человеческом теле, а потом спад, еще не могут считаться последним порогом.