Електричні риби. Як вугор та схил виробляють електрику? Чи б'ється вугор струмом
Відбуваються, наприклад, у багатьох рослинах. Але найдивовижнішим носієм цієї здібності є електричні риби. Їхній дар виробляти розряди сильної потужності не доступний жодному виду тварин.
Навіщо рибам електрика
Про те, що деякі риби можуть сильно «бити» людину або тварину, що їх торкнулася, знали ще древні жителі морських узбереж. Римляни вважали, що в цей момент у мешканців глибин виділяється якась сильна отрута, внаслідок якої у жертви настає тимчасовий параліч. І лише з розвитком науки та техніки стало зрозуміло, що рибам властиво створювати електричні розряди різної сили.
Яка риба – електрична? Вчені стверджують, що ці здібності властиві майже всім представникам названого виду фауни, просто у більшості з них розряди невеликі, відчутні лише сильними чутливими приладами. Використовують вони їх передачі сигналів одне одному - як спілкування. Сила випромінюваних сигналів дозволяє визначити в риб'ячому середовищі, хто є хто, або, іншими словами, з'ясувати силу свого супротивника.
Електричні рибивикористовують свої особливі органи для захисту від ворогів як зброю ураження видобутку, а також як локатори-орієнтири.
Де риби мають електростанцію?
Електричні явища в організмі риб зацікавили вчених, які займаються явищами природної енергії. Перші експерименти з вивчення біологічної електрики проводив Фарадей. Для своїх дослідів він використовував схилів як найсильніших виробників зарядів.
Одне, на чому зійшлися всі дослідники, що основна роль електрогенезі належить клітинним мембранам, які здатні розкладати позитивні і негативні іони у клітинах, залежно від збудження. Видозмінені м'язи з'єднані між собою послідовно, це є так звані електростанції, а сполучні тканини - провідники.
"Енергодобувні" органи можуть мати різний вид і місце розміщення. Так, у схилів і вугрів це брунькоподібні утворення з боків, у риб-слонів - циліндричні нитки в районі хвоста.
Як уже було сказано, виробляти струм у тому чи іншому масштабі властиво багатьом представникам цього класу, але є справжні електричні риби, які є небезпечними не тільки для інших тварин, але й для людини.
Електрична риба-змія
Американський електричний вугор немає нічого спільного зі звичайними вуграми. Названий він так просто на зовнішній схожості. Ця довга, до 3 метрів, змієподібна риба вагою до 40 кг здатна генерувати розряд напругою 600 вольт! Тісне спілкування з такою рибкою може коштувати життя. Навіть якщо сила струму стане безпосередньою причиною смерті, то до втрати свідомості наводить точно. А безпорадна людина може захлинутися та потонути.
Електричні вугри живуть у Амазонці, у багатьох неглибоких річках. Місцеве населення, знаючи їхні здібності, не входить у воду. Електричне поле, яке виробляється рибою-змією, розходиться в радіусі 3 метрів. При цьому вугор проявляє агресію і може нападати без особливої потреби. Напевно, він це робить з переляку, тому що основний раціон його складає дрібна риба. У цьому плані жива «електроудочка» не знає жодних проблем: випустив зарядок, і сніданок готовий, обід та вечеря заразом.
Сімейство схилів
Електричні риби - скати - об'єднуються у три сімейства та налічують близько сорока видів. Їм властиво не лише виробляти електрику, а й акумулювати її, щоб використати надалі за призначенням.
Основна мета пострілів - відлякування ворогів та видобуток дрібної рибки для харчування. Якщо скат випустить за раз весь свій накопичений заряд, його потужності вистачить, щоб убити або знерухомити велику тварину. Але таке відбувається вкрай рідко, так як риба - електричний скат - після повного «знеструмлення» стає слабкою і вразливою, їй потрібен час, щоб знову накопичити потужність. Так що свою систему енергопостачання скати строго контролюють за допомогою одного з відділів мозку, що виконує роль реле-вимикача.
Сімейство гнюсових, або електричних схилів називають ще «торпедами». Найбільший із них - мешканець Атлантичного океану, чорний торпедо (Torpedo nobiliana). Цей що досягають у довжину 180 см, виробляє найсильніший струм. І при близькому контакті з нею людина може знепритомніти.
Скат Морсбі та токійський торпедо (Torpedo tokionis ) - Найглибоководніші представники свого сімейства. Їх можна зустріти на глибині 1 000 м. А найменший серед своїх побратимів - індійський скат, його максимальна довжина- всього 13 см. Біля берегів Нової Зеландії живе сліпий скат - його очі повністю заховані під шаром шкіри.
Електричний сом
У каламутних водоймах тропічної та субтропічної Африки живуть електричні риби – соми. Це досить великі особини, від 1 до 3 м завдовжки. Соми не люблять швидких течій, живуть у затишних гніздах на дні водойм. Електричні органи, які розташовані з боків риби, здатні виробляти напругу 350 В.
Малорухливий і апатичний сом не любить спливати далеко від свого житла, виповзає з нього для полювання ночами, але також і непроханих гостейне любить. Зустрічає він їх легкими електричними хвилями, ними ж і видобуває собі здобич. Розряди допомагають сому не тільки полювати, а й орієнтуватися у темній каламутній воді. М'ясо електричного сома вважається делікатесом у місцевого африканського населення.
Нільський дракончик
Ще один африканський електричний представник царства риб – нільський гімнарх, або аба-аба. Його зображували на своїх фресках фараони. Мешкає він не тільки в Нілі, а й у водах Конго, Нігеру та деяких озер. Це красива «стильна» рибка з довгим витонченим тілом, завдовжки від сорока сантиметрів до півтора метра. Нижні плавці відсутні, зате один верхній тягнеться вздовж усього тіла. Під ним і знаходиться «батарейка», яка виробляє електромагнітні хвилі силою 25 В майже завжди. Голова гімнарха несе позитивний заряд, а хвіст негативний.
Свої електричні здібності гімнархи використовують не тільки для пошуку їжі та локації, а й у шлюбних іграх. До речі, самці гімнархів просто приголомшливо фанатичні батьки. Вони не відходять від кладки ікринок. І варто тільки наблизиться комусь до дітей, тато так обкатує порушника електрошокером, що мало не здасться.
Гімнархи дуже симпатичні - їх витягнута, схожа на дракончика, мордочка і хитрі очі здобули любов серед акваріумістів. Щоправда, симпатяга досить агресивна. З кількох мальків, поселених в акваріум, живим залишиться лише один.
Морська корова
Великі опуклі очі, вічно розплющений рот, обрамлений бахромою, висунута щелепа роблять рибу схожою на вічно незадоволену сварливу стару. Як називається електрична риба із таким портретом? сімейства звіздарів. Порівняння з коровою навіюють два ріжки на голові.
Ця неприємна особина більшу частинучасу проводить, закопавшись у пісок і підстерігаючи видобуток, що пропливає повз. Ворог не пройде: корова озброєна, як кажуть, до зубів. Перша лінія нападу - довгий червоний язичок-черв'ячок, яким звіздар заманює наївних рибок і ловить їх, навіть не вилазячи з укриття. Але якщо треба, то вона підніметься миттєво і приголомшить жертву до втрати свідомості. Друга зброя для власного захисту - за очима і над плавниками розташовані отруйні шипи. І це ще не все! Третє потужне знаряддя розташоване позаду голови - електричні органи, які генерують заряди напругою 50 У.
Хто ще електричний
Вищеописані - це єдині електричні риби. Назви не перерахованих нами звучать так: гнатонем Петерса, чорна ножівка, морміри, диплобатиси. Як бачите, їх чимало. Наука зробила великий крок уперед у вивченні цієї дивної спроможності деяких риб, але повністю розгадати механізм акумуляції електроенергії великої потужності не вдалося і до сьогодні.
Риби лікують?
Офіційна медицина не підтвердила володіння електромагнітним полем риб цілющим ефектом. Але народна медицина здавна використовує електричні хвилі скатів для лікування багатьох хвороб ревматичного характеру. Для цього люди спеціально ходять поблизу і отримують слабкі розряди. Ось такий собі натуральний електрофорез.
Електричних сомів жителі Африки та Єгипту використовують для лікування тяжкої стадії лихоманки. Для підвищення імунітету у дітей та зміцнення загального стану екваторіальні жителі змушують тих торкатися сомів, а також напувають водою, в якій деякий час плавала ця риба.
Домінік Стетхем
Фото ©depositphotos.com/Yourth2007
Electrophorus electricus) мешкає в темних водахболіт і річок у північній частині Південної Америки. Це таємничий хижак, який має складною системоюелектролокації та здатний переміщатися та полювати в умовах низької видимості. Використовуючи електрорецептори для визначення спотворень електричного поля, викликаних його власним тілом, він здатний виявляти потенційну жертву, сам при цьому залишаючись непоміченим. Він знерухомлює жертву за допомогою найсильнішого електричного шоку, достатньо сильного, щоб оглушити таке велике ссавець, як кінь, або навіть вбити людину. Своєю подовженою округлою формою тіла вугор нагадує рибу, яку ми зазвичай називаємо муреною (порядок Anguilliformes); проте належить до іншого порядку риб (Gymnotiformes).Риб, здатних виявляти електричні поля, називають електрорецептивними, а здатних генерувати потужне електричне поле, таких як електричний вугор, називають електрогенними.
Як електричний вугор генерує таку високу електричну напругу?
Електричні риби – не єдині, хто здатний генерувати електрику. Фактично всі живі організми роблять це тією чи іншою мірою. М'язи нашого тіла, наприклад, управляються мозком з допомогою електричних сигналів. Електрони, що виробляються бактеріями, можуть бути використані для вироблення електрики у паливних клітинах, які називаються електроцитами. (Див. таблицю нижче). І хоча кожна з клітин несе незначний заряд, завдяки тому, що тисячі таких клітин збираються в серії, подібно до батарейок у ліхтарику, може бути вироблена напруга до 650 вольт (V). Якщо організувати ці ряди в паралелі, можна отримати електричний струм силою 1 Ампер (A), що дає електричний удар силою 650 ват (W; 1 W = 1 V × 1 A).
Яким чином вугру вдається не приголомшувати себе електричним струмом?
Фото:CC-BY-SA Steven Walling via Wikipedia
Вчені не знають точно, як відповісти на це питання, але результати деяких цікавих спостережень можуть пролити світло на цю проблему. По-перше, життєво важливі органи вугра (наприклад, мозок і серце) розташовані біля голови, далеко від органів, що виробляють електрику, та оточені жировою тканиною, яка може діяти у вигляді ізоляції. Шкіра також має ізолюючі властивості, оскільки, згідно з результатами спостережень, вугри з пошкодженою шкірою більш схильні до самооглушення електричним ударом.
По-друге, найбільш сильні електричні удари вугри здатні завдавати в момент парування, не завдаючи при цьому шкоди партнеру. Однак якщо удар такої ж сили завдати іншому вугрю не під час спарювання, це може його вбити. Це передбачає, що у вугрів існує система захисту, яку можна включати і відключати.
Чи міг електричний вугор виникнути внаслідок еволюції?
Дуже важко уявити, як це могло б статися в ході незначних змін, як того вимагає процес, запропонований Дарвіним. Якщо ударна хвиля була важливою з самого початку, то замість того, щоб оглушити, вона попереджала б жертву про небезпеку. Більше того, щоб у ході еволюції виробити здатність приголомшувати жертву, електричному вугрю довелося б одночасновиробляти систему самозахисту. Щоразу, коли виникала мутація, що збільшує силу електричного удару, мала виникати й інша мутація, що покращує електроізоляцію вугра. Здається малоймовірним те, що однієї мутації було б достатньо. Наприклад, щоб пересунути органи ближче до голови, знадобилося б ціла серія мутацій, які мали виникнути одночасно.
Хоча деякі риби здатні приголомшувати свій видобуток, існує безліч видів, що використовують електрику низької напруги для навігації та спілкування. Електричні вугри відносяться до групи південноамериканських риб, відомих під назвою «ножетелки» (родина Mormyridae), які теж використовують електролокацію і, як вважається, розвинули цю здатність поряд зі своїми південноамериканськими побратимами. Більше того, еволюціоністи змушені заявляти, що електричні органи риб еволюціонували незалежно один від одного вісім разів. Якщо зважити на складність їх будови, вражає вже те, що ці системи могли розвинутися в ході еволюції хоча б один раз, не кажучи вже про вісім.
Ножетілки з Південної Америки та химерні з Африки використовують свої електричні органи для визначення місцезнаходження та комунікації, та використовують ряд різних видівелектрорецепторів. В обох групах є види, що продукують електричні поля різних складних формхвилі. Два види ножівок, Brachyhypopomus benettiі Brachyhypopomus walteriнастільки схожі один на одного, що їх можна було б віднести до одного виду, проте перший виробляє струм постійної напруги, а другий - струм змінної напруги. Еволюційна історія стає ще більш примітною, якщо копнути ще глибше. Для того, щоб їх електролокаційні апарати не заважали один одному і не створювали перешкод, деякі види використовують спеціальну систему, за допомогою якої кожна з риб змінює частоту електричного розряду. Примітно, що ця система працює практично так само (використовується такий же обчислювальний алгоритм), як у скляної ножівки з Південної Америки ( Eigenmannia) та африканської риби аба-аба ( Gymnarchus). Чи могла така система усунення перешкод незалежно розвинутись у ході еволюції у двох окремих груп риб, що мешкають на різних континентах?
Шедевр Божого творіння
Енергетичний агрегат електричного вугра затьмарив усі творіння людини своєю компактністю, гнучкістю, мобільністю, екологічною безпекоюта здатністю до самовідновлення. Всі частини цього апарату ідеальним чином інтегровані в лощене тіло, що дає вугру можливість пливти з великою швидкістю та сприйнятливістю. Всі деталі його будови – від крихітних клітин, що виробляють електрику, до найскладнішого обчислювального комплексу, що аналізує спотворення вугрів електричних полів, - вказують на задум великого Творця.
Як електричний вугор генерує електрику? (Науково-популярна стаття)
Електричні риби генерують електрику подібно до того, як це роблять нерви і м'язи в нашому тілі. Всередині клітин-електроцитів особливі ензимні протеїни під назвою Na-K ATФазавикачують натрієві іони через клітинну мембрану і всмоктують іони калію. (“Na” – хімічний символ натрію, а “K” – хімічний символ калію”. “ATФ” – аденозинтрифосфат – енергетична молекула, яка використовується для роботи насоса). Дисбаланс між іонами калію всередині та зовні клітини призводить до виникнення хімічного градієнта, який знову виштовхує іони калію із клітини. Подібним чином дисбаланс між іонами натрію породжує хімічний градієнт, який затягує іони натрію назад в клітину. Інші протеїни, вбудовані в мембрану, діють у вигляді каналів для іонів калію, пір, що дозволяють іона калію залишити клітину. У міру того, як іони калію з позитивним зарядом накопичуються зовні клітини, навколо клітинної мембрани наростає електричний градієнт, причому зовнішня частинаклітини має позитивніший заряд, ніж її внутрішня частина. Насоси Na-K ATФази (натрій-калієвої аденозинтрифосфатази)побудовані таким чином, що вони обирають лише один позитивно заряджений іон, інакше негативно заряджені іони також стали б перетікати, нейтралізуючи заряд.
Більшість тіла електричного вугра складається з електричних органів. Головний орган та орган Хантера відповідають за вироблення та накопичення електричного заряду. Орган Сакса виробляє електричне поле низької напруги, яке використовується для електролокації.
Хімічний градієнт діє в такий спосіб, що виштовхує іони калію, а електричний градієнт втягує їх назад. У момент настання балансу, коли хімічні та електричні силискасовують один одного, зовні клітини буде знаходитися приблизно на 70 мілівольт більше позитивного заряду, ніж усередині. Таким чином, усередині клітини виявляється негативний заряд -70 мілівольт.
Однак Велика кількістьпротеїнів, вбудованих у клітинну мембрану, забезпечують канали для іонів натрію – це пори, які дозволяють іонам натрію знову потрапляти у клітину. У звичайному стані ці пори перекриті, проте коли електричні органи активуються, пори розкриваються, і іони натрію з позитивним зарядом знову надходять клітину під впливом градієнта хімічного потенціалу. В даному випадку баланс досягається, коли всередині клітини збирається позитивний заряд до 60 мілівольт. Відбувається загальна зміна напруги від -70 до +60 мілівольт і це становить 130 mV або 0.13 V. Цей розряд відбувається дуже швидко, приблизно за одну мілісекунду. І оскільки в серії клітин зібрано приблизно 5000 електроцитів завдяки синхронному розряду всіх клітин може вироблятися до 650 вольт (5000 × 0.13 V = 650).
Насос Na-K ATФази (натрій-калієвої аденазинтрифосфотази).За кожен цикл два іони калію (K+) надходять у клітину, а три іони натрію (Na+) виходять із клітини. Цей процес рухається енергією АТФ молекул.
Глосарій
Атом або молекула, що несе електричний заряд завдяки нерівній кількості електронів та протонів. Іон матиме негативний заряд, якщо в ньому міститься більше електронів, ніж протонів, і позитивний заряд – якщо в ньому міститься більше протонів, ніж електронів. Іони калію (K+) та натрію (Na+) мають позитивний заряд.
Градієнт
Зміна будь-якої величини при переміщенні від однієї точки до іншої. Наприклад, якщо ви відходите від багаття, температура знижується. Таким чином, багаття генерує температурний градієнт, що зменшується з відстанню.
Електричний градієнт
Градієнт зміни величини електричного заряду. Наприклад, якщо зовні клітини міститься більше позитивно заряджених іонів, ніж усередині клітини, електричний градієнт буде проходити через клітинну мембрану. Завдяки тому, що однакові заряди відштовхуються один від одного, іони рухатимуться таким чином, щоб збалансувати заряд усередині та зовні клітини. Пересування іонів через електричний градієнт відбувається пасивно, під впливом електричної потенційної енергії, а не активно, під впливом енергії, що надходить з зовнішнього джереланаприклад з АТФ-молекули.
Хімічний градієнт
Градієнт хімічної концентрації. Наприклад, якщо зовні клітини міститься більше іонів натрію, ніж усередині клітини, то хімічний градієнт натрієвого іону проходитиме через клітинну мембрану. Через довільний рух іонів і зіткнень між ними існує тенденція, що іони натрію будуть рухатися від більш високих концентрацій до нижчих концентрацій до тих пір, поки не буде встановлений баланс, тобто поки по обидва боки мембрани не виявиться однакова кількість іонів натрію. Це відбувається пасивно, внаслідок дифузії. Рухи обумовлені кінетичною енергією іонів, а чи не енергією, одержуваної із зовнішнього джерела, як-от АТФ молекула.
Говорячи про можливість використання рибами магнітного поля Землі для навігаційних цілей, природно поставити питання, а чи можуть вони взагалі сприймати це поле.
На магнітне поле Землі у принципі можуть реагувати як спеціалізовані, і неспеціалізовані системи. В даний час не доведено, що риби мають чутливі до цього поля спеціалізовані рецептори.
Як сприймають магнітне поле Землі неспеціалізовані системи? Більше 40 років тому було висловлено припущення, що основою таких механізмів можуть бути струми індукції, що виникають у тілі риб за їхнього руху на магнітному полі Землі. Одні дослідники вважали, що риби під час міграцій використовують електричні індукційні струми, які у результаті руху (течії) води у магнітному полі Землі. Інші вважали, що деякі глибоководні риби використовують індукційні струми, що виникають у їхньому тілі під час руху.
Розраховано, що з швидкості руху риби 1 див на секунду на 1 див довжини тіла встановлюється різниця потенціалів близько 0,2-0,5 мкВ. Багато електричних риб, що мають спеціальні електрорецептори, сприймають напруженість електричних полів ще меншої величини (0,1-0,01 мкВ на 1 см). Таким чином, вони можуть орієнтуватися на магнітне поле Землі при активному переміщенні або пасивному знесення (дрейфі) в потоках води.
Аналізуючи графік порогової чутливості гімнарха, радянський учений А. Р. Сакаян зробив висновок, що ця риба відчуває кількість електрики, що протікає в її тілі, і висловив припущення про здатність слабоелектричних риб визначати напрямок свого шляху по магнітному полю Землі.
Сакаян розглядає рибу як замкнутий електричний контур. При русі риби в магнітному полі Землі її тілу внаслідок індукції у вертикальному напрямі проходить електричний струм. Кількість електрики в тілі риби при її переміщенні залежить тільки від взаємного розташування у просторі напрямку шляху та лінії горизонтальної складової магнітного поля Землі. Отже, якщо риба реагує на кількість електрики, що протікає через її тіло, вона може визначити свій шлях та його напрямок у магнітному полі Землі.
Таким чином, хоча питання про електронавігаційний механізм слабоелектричних риб ще остаточно не з'ясовано, принципова можливість використання ними струмів індукції не викликає сумнівів.
Електричні риби у значній більшості – «осілі», немігрантні форми. У мігрантних неелектричних видів риб (тріскові, оселедцеві та ін.) електричних рецепторів та високої чутливості до електричних полів не виявлено: зазвичай вона не перевищує 10 мВ на 1 см, що у 20 000 разів нижче за напруженість електричних полів, зумовлених індукцією. Винятком є неелектричні риби (акули, скати та інших.), мають спеціальні електрорецептори. При русі зі швидкістю 1 м/с вони можуть сприймати індуковане електричне поле напруженістю 0,2 мкВ на 1 см. Електричні риби чутливіші за неелектричні до електричних полів приблизно в 10 000 разів. Це свідчить, що неелектричні види риб що неспроможні орієнтуватися на магнітне полі Землі, використовуючи струми індукції. Зупинимося можливості використання рибами біоелектричних полів при міграціях.
Практично всі типово мігруючі риби - зграйні види (оселедеві, тріскові та ін). Виняток становить лише вугор, але, переходячи в мігрантний стан, він зазнає складного метаморфозу, що, можливо, позначається на електричних полях, що генеруються.
У період міграції риби утворюють щільні організовані зграї, що рухаються у певному напрямку. Невеликі косячки цих риб не можуть визначити напрям міграції.
Чому ж риби мігрують у зграях? Деякі дослідники пояснюють це тим, що за законами гідродинаміки рух риб у зграях певної зміни полегшується. Проте є й інший бік цього явища. Як мовилося раніше, у збуджених зграйках риб біоелектричні поля окремих особин сумуються. Залежно кількості риб, ступеня їх збудження і синхронності випромінювання загальне електричне полі може значно перевищувати об'ємні розміри самої зграї. У подібних випадках напруга, що припадає на одну рибу, може досягати такої величини, що вона здатна сприймати електричне поле зграї навіть за відсутності електрорецепторів. Отже, риби можуть використовувати електричне поле зграї для навігації завдяки його взаємодії з магнітним полем Землі.
А як орієнтуються в океані нетаємні риби-мігранти - вугри та тихоокеанські лососі, які здійснюють тривалі міграції? Європейський вугор, наприклад, стаючи статевозрілим, прямує з річок у Балтійське море, потім у Північне море, потрапляє в Гольфстрім, рухається в ньому проти течії, перетинає Атлантичний океані приходить у Саргасове море, де він розмножується на великій глибині. Отже, вугор не може орієнтуватися ні на Сонце, ні на зірок (за ними орієнтуються під час міграцій птиці). Природно виникає припущення, що, оскільки більшість свого шляху вугор проходить, перебуваючи в Гольфстрімі, він використовує для орієнтації течію.
Спробуємо уявити, як орієнтується вугор, перебуваючи всередині багатокілометрової товщі води, що рухається (хімічна орієнтація в цьому випадку виключається). У товщі води, всі струмки якої переміщаються паралельно (подібні потоки називаються ламінарними), вугор рухається в одному напрямку з водою. У умовах його бічна лінія - орган, що дозволяє приймати локальні потоки води та поля тиску,- працювати неспроможна. Так само, пливучи річкою, людина не відчуває її течії, якщо не дивиться на берег.
Можливо, морська течія не відіграє жодної ролі в механізмі орієнтації вугра та його міграційні шляхи випадково збігаються з Гольфстрімом? Якщо так, то які сигнали довкіллявикористовує вугор, чим він керується під час орієнтації?
Залишається припустити, що вугор та тихоокеанський лосось використовують у своєму орієнтаційному механізмі магнітне поле Землі. Однак спеціалізованих системдля його сприйняття у риб не виявлено. Але про перебіг дослідів щодо з'ясування чутливості риб до магнітних полів виявилося, що і вугри, і тихоокеанські лососі мають виключно високу чутливість до електричних струмів у воді, спрямованих перпендикулярно до осі їх тіла. Так, чутливість тихоокеанських лососів до щільності струму становить 0,15 * 10 -2 мкА на 1 см 2 а вугра - 0,167 * 10 -2 на 1 см 2 .
Була висловлена думка про використання вугрів та тихоокеанськими лососями геоелектричних струмів, що утворюються у воді океану течіями. Вода – провідник, що рухається в магнітному полі Землі. Виникаюча в результаті індукції електрорушійна сила прямо пропорційна напруженості магнітного поля Землі в цій точці океану і певної швидкості течії.
Група американських учених на трасі руху вугра провела інструментальні виміри і розрахунки величин геоелектричних струмів, що виникають. З'ясувалося, що щільності геоелектричних струмів становлять 0,0175 мкА на 1 см 2 , тобто майже в 10 разів вищі за чутливість до них риб-мігрантів. Наступні досліди підтвердили, що вугри та тихоокеанські лососі вибірково відносяться до струмів із такою щільністю. Стало очевидно, що вугор та тихоокеанські лососі можуть використовувати для своєї орієнтації при міграціях в океані магнітне поло Землі та морські течії завдяки сприйняттю геоелектричних струмів.
Радянський вчений А. Т. Миронов припустив, що з орієнтації риби використовують телуричні струми, вперше виявлені ним 1934 р. Механізм виникнення цих струмів Миронов пояснює геофізичними процесами. Академік В. В. Шулейкін пов'язує їх із електромагнітними полями в космосі.
В даний час роботами співробітників Інституту земного магнетизму та поширення радіохвиль в іоносфері АН СРСР встановлено, що постійна складова полів, що утворюються телуричними струмами, не перевищує напруженості 1 мкВ на 1 м.
Радянський вчений І. І. Рокитянський припустив, що оскільки телуричні поля є індукційними полями з різними амплітудами, періодами та напрямками векторів, риби прагнуть йти в місця, де величина телуричних струмів менша. Якщо це припущення правильно, то в період магнітних бур, коли напруженість телуричних полів досягає десятків - сотень мікровольт на метр, риби повинні йти від берегів і з дрібних місць, а отже, і з промислових банок у глибоководні райони, де величина телуричних полів менша. Вивчення взаємозв'язку поведінки риб із магнітною активністю дозволить підійти до розробки способів прогнозування їх промислових скупчень у певних районах. Співробітники Інституту земного магнетизму та поширення радіохвиль в іоносфері та Інституту еволюційної морфології та екології тварин АН СРСР провели роботу, в якій при зіставленні уловів норвезького оселедця з магнітними бурями було виявлено певну кореляцію. Проте це вимагає експериментальної перевірки.
Як уже говорилося вище, риби мають шість систем сигналізації. А чи не користуються вони ще якимось почуттям, поки що не відомим?
У США в газеті «Новини електроніки» за 1965 та 1966 рр. було опубліковано повідомлення про відкриття У. Мінто спеціальних «гідронічних» сигналів нової природи, які використовуються рибами для зв'язку та локації; причому в деяких риб вони реєструвалися на великій відстані (у макрелі до 914 м). Наголошувалося, що «гідронічне» випромінювання не можна пояснити електричними полями, радіохвилями, звуковими сигналами або іншими раніше відомими явищами: гідронічні хвилі поширюються лише у воді, їх частота коливається від часток герца до десятків мегагерц.
Повідомлялося, що сигнали були відкриті для дослідження звуків, що видаються рибами. Серед них виділені частотно-модульовані, що використовуються для локації, і амплітудно-модульовані, що випромінюються більшістю риб і призначені для зв'язку. Перші нагадують короткий свист, або "цвірінькання", а другі - "щебетання".
У. Мінто і Дж. Хадсон повідомили, що гідронічне випромінювання властиве практично всім видам, але особливо сильно ця здатність розвинена у хижаків, риб зі слаборозвиненими очима і у тих, що полюють вночі. Орієнтаційні сигнали (сигнали локації) риби випускають у новій обстановцічи щодо незнайомих об'єктів. Сигнали зв'язку спостерігаються у групі особин після повернення риби, яка побувала у незнайомій обстановці.
Що ж спонукало Мінто та Хадсона вважати «гідронічні» сигнали проявом невідомого раніше фізичного явища? На їхню думку, ці сигнали не акустичні, тому що їх можна сприймати безпосередньо на електроди. У той же час «гідронічні» сигнали не можна віднести і до електромагнітних коливань, на думку Мінто і Хадсона, оскільки на відміну від звичайних електричних вони складаються з імпульсів, що не мають постійного характеру і кілька мілісекунд, що тривають.
Однак із такими поглядами важко погодитися. У електричних і неелектричних риб сигнали дуже різноманітні за формою, амплітудою, частотою і тривалістю, у зв'язку з чим такі ж властивості «гідронічних» сигналів не говорять про їхню особливу природу.
Остання "незвичайна" особливість "гідронічних" сигналів - їх поширення на відстань 1000 м - також може бути пояснена на підставі відомих положень фізики. Мінто та Хадсон не проводили лабораторних експериментів на одній особині (дані таких дослідів свідчать, що сигнали окремих неелектричних риб поширюються на невеликі відстані). Вони реєстрували сигнали від косяків та зграй риб у морських умовах. Але, як уже говорилося, в подібних умовах може підсумовуватися напруженість біоелектричних полів риб, і єдина електрична підлога зграї вдається вловити на значній відстані.
На підставі викладеного вище можна дійти невтішного висновку, що у роботах Мінто і Хадсона необхідно розрізняти дві сторони: фактичну, з якої випливає, що неелектричні види риб здатні генерувати електричні сигнали, і «теоретичну» - бездоказове твердження, що це розряди мають особливу, так звану гідронічну природу.
У 1968 р. радянський вчений Г. А. Остроумов, не вдаючись у біологічні механізми генерації та прийому електромагнітних сигналів морськими тваринами, а виходячи з фундаментальних положень фізики, зробив теоретичні розрахунки, які привели його до висновку, що Мінто та його послідовники помиляються, приписуючи особливу фізичну природу «гідронічних» сигналів. По суті це звичайні електромагнітні процеси.
| <<< Назад
|
Вперед >>> |
Багатьом читачам сайту про тварин сайт відомо, що існують риби, що мають можливість бити електричним струмом (у прямому розумінні), але аж ніяк не всі знають, як це здійснюється. Пропонуємо розглянути двох найбільш знаменитих морських представників, які виробляють струм: електричного схилу та електричного вугра. Ви дізнаєтеся:
- Чи небезпечний для людини струм цих електричних риб;
- як влаштовані органи, що виробляють електрику у схилу та вугра;
- як полюють і ловлять видобуток скат та вугор;
- як живі риби пов'язані зі святом Нового року.
Електричний скат - жива акумуляторна батарея
Електричні скати в основному невеликі - від 50 до 60 см, проте є такі особини, які досягають у довжину 2 м. Невеликі представники цих риб створюють незначний електричний заряд, а у свою чергу великі скати здійснюють розряди по 300 вольт. Органи особини, що виробляють струм, становлять 1/6 частину тулуба і дуже розвинені. Вони знаходяться з обох боків - займають місце між плавцем грудей та головною частиною, і розглянути їх можна зі спинної та черевної частини.
Внутрішні органи риби, що виробляють електрику, мають таку будову. Деяка кількість стовпчиків, які складають електричні пластини та низ пластини, як і всього органу, носить негативний заряд, а верх заряджений позитивно.
Під час полювання схил вражає видобуток, охопивши його плавцями, де знаходяться органи, що виробляють електрику. Протягом цього процесу здійснюється електричний заряд і видобуток гине від удару електрикою. Схил має схожість з акумуляторною батареєю. Якщо він використовує заряд цілком, то йому знадобиться дещо але те, щоб знову "зарядитися".
Схил без заряду безпечний, проте, якщо він має заряд, тоді людина може серйозно постраждати від сильного електричного розряду. Подій з летальним кінцем не виявлено, хоча у того, хто доторкнувся до схилу, може знизитися тиск, відбутися порушення серцевого ритму, а також можуть з'явитися спазми, а в ураженій зоні з'являється набряклість місцевих тканин. Похилість малоактивна і в основному живе на дні, тому, щоб не зустріти його в водному середовищі, необхідно виявити увагу, перебуваючи на мілководді.
За часів Стародавнього Риму, навпаки, електричні розряди визнавалися (і визнаються зараз у медицині) оздоровчими. Вважалося, що електричний розряд міг зняти біль голови і полегшити подагру. Навіть сьогодні на берегах середземномор'я люди у віці цілеспрямовано ходять босоногими дрібною водою, щоб за допомогою ударів струмом полегшити ревматизм і подагру.
Електричний вугор запалив гірлянди на новорічній ялинці
А тепер замітка хоч і про риб, але стосується такого свята, як Новий рік! Здавалося б, як поєднується жива рибата новорічна ялинка? А ось як. Читайте далі.
Більшість представників групи електричного вугра довжиною від 1 до 1,5 м, але існують види, які досягають трьох метрів. У таких особин сила удару сягає 650 вольт. Люди, уражені ударом струму у воді, можуть знепритомніти і потонути. Електричний вугор є одним із найнебезпечніших представників річки Амазонки. Вугор приблизно раз на 2 хвилини спливає, щоб наповнити легені повітрям. Він дуже агресивний. Якщо наблизитися до вугра на дистанцію менше трьох метрів, то він вважає за краще не ховатися, а відразу атакувати. Отже, людям, які близько побачили вугра, повинні якнайдалі пливти якомога далі.
Органи вугра, які відповідають за струм, мають аналогічну будову з органами скатуале мають інше розташування. Вони представляють два подовжених паростка, що мають довгастий вигляд і складають 4/5 тіла вугра в цілому і мають масу, що займає майже 1/3 ваги тулуба. Передня частина вугра має позитивний заряд, а задня, відповідно, негативний. У вугрів до старості знижується зір, саме через це свою жертву вони вражають, випромінюючи слабкі удари струмом. Вугор не нападає на видобуток, йому достатньо потужного заряду, щоб усі невеликі риби загинули від удару струмом. Вугор наближається до своєї здобичі, коли вона вже мертва, схоплює її за голову, а потім ковтає.
Вугра нерідко можна побачити в акваріумі, тому що вони порівняно швидко звикають до штучним умовам. Звичайно, тримати вдома таку рибу – це важче, ніж тритонів розводити. Для того, щоб експонувати їх можливості, до резервуару кріплять лампу та опускають дроти у воду. Під час годівлі світло спалахує. У Японії в 2010 році було проведено досвід: ялинку було висвітлено з використання струму, що виходить від вугра, який знаходився в особливій ємності та викидав струм. Навіть вугор та його електрострум може бути корисним, якщо направити унікальні природні здібності цієї риби у потрібне русло.
З усіх хребетних тільки риби можуть виробити достатню кількість електричної енергії, щоб паралізувати або навіть вбити людину. Електричні органи служать рибам для оборони, орієнтації, полювання та, можливо, комунікації. Електричну енергію здатні виробляти близько двохсот п'ятдесяти видів риб; проте заряд такої сили, що може служити зброєю проти людини, накопичують лише електричні вугрі ( Electrophorus electricus), що мешкають у Південній Америціта електричні скати, що належать до сімейства Торпедінідай.
Як тварини генерують такі потужні імпульси електричної енергії, залишається для вчених загадкою, проте природа тваринної електрики цілком зрозуміла. Електрична енергія виникає у тілі будь-якої тварини - зокрема людини. Електричні імпульси біжать нервовими волокнами і подають клітинам мозку, а також іншим клітинам сигнали про різні явища. Навіть читання цих сторінок читач призводить до виникнення електричних сигналів; але в електричних вугрів і деяких скатів енергії накопичується так багато, що вона використовується як зброя проти інших риб та тварин. Розглянемо, як утворюється.
Про те, що тканини тварин генерують електрику, людство дізналося в 1791 році, коли Луїджі Гальвані, професор анатомії в Болонському університеті, виявив, що нервова і м'язова тканинаноги жаби реагують на електричний струм. Згодом вчені з'ясували, що імпульси, що розсилають сигнали по нервової системилюдини, які мають електрохімічну природу. Спрощуючи картину, можна сказати, що нервові сигнали – це рух іонів, тобто заряджених частинок крізь оболонки нервових клітин. У стані спокою чи бездіяльності клітини її оболонка має негативний потенціал, оскільки зсередини клітини накопичуються негативно заряджені іони; проте зовні клітини перебувають і позитивні, і негативні іони, серед них - іони натрію, що несуть позитивний заряд. Коли нервова клітина посилає сигнал, оболонка її змінює полярність, і іони натрію проникають крізь неї клітину, змінюючи її потенціал на позитивний. Прийшовши у звичайний стан, клітина позбавляється іонів натрію за допомогою механізму, "пристрій" якого невідомий; вчені називають його "натрієвим насосом", тому що він немов викачує з клітки іони натрію.
Коли клітка передає сигнал, "насос" перестає діяти. Іони натрію та калію притягуються один до одного, обмінюючись зарядами та нейтралізуючи електричний потенціал клітини. Крихітні розряди піднімаються нервовим волокном, що відходить від клітини, збуджуючи електричне поле в навколишній тканині та рідині. Сигнал, або нервовий імпульс, переміщається нервовим волокном до тих пір, поки досягне точки, де воно розгалужується на відростки, звані нервовими закінченнями. Закінчення пронизують простір, що відокремлює одну нервову клітину від іншої. Цей простір між двома сусідніми клітинами нервової тканини називається синапсом.
В якийсь момент нервовий імпульс, що прямує до м'яза, досягає синапсу, протилежному боціякого знаходиться клітина м'язового волокна. Ця точка, звана нервово-м'язовим з'єднанням, грає вирішальну роль у генеруванні електрики у риб. При появі нервового імпульсу в нервово-м'язовому з'єднанні навколо нервових закінчень виділяється хімічна речовина, зване ацетилхолін. Просочуючись від нервової клітини до м'язової, ацетилхолін передає імпульс м'язовому волокну, деполяризуючи його та викликаючи цим електричний розряд. Передбачається також, що ще однією функцією ацетилхоліну є припинення дії натрієвого насоса в клітині, що дозволяє іонам проникати крізь оболонку клітини.
Зазвичай електричний сигнал змушує м'яз скорочуватися, як і проявляється у різних рухах тіла тварини. Однак деякі м'язи риб втратили здатність скорочуватися. Нервові закінчення, що йдуть до цих м'язів, залягають у районі нервово-м'язових сполук дуже густо, а волокна м'язових клітин настільки розростаються, що утворюють щось на зразок живого електрода.
Електричні органи таких риб, як електричний вугор та електричні скати, складаються з кількох подібних "електродів". Коли вони розряджаються, виникає електричний струм великої потужності. Керує розрядом пучок нервів, який у електричного вугра відходить від спинного мозку, а у електричного схилу - від головного.
Електричні скати, що мешкають і в помірній, і в тропічній зонах, здатні створити на своїх "електродах" напругу до 50 вольт і вище; цього достатньо, щоб вбивати риб та ракоподібних, якими харчуються скати. Електричний скат схожий на гнучкий млинець з довгим та товстим хвостом. Полюючи, схил кидається на жертву всім тілом і "обіймає" її своїми "крилами", на кінцях яких знаходяться електричні органи. Обійми стуляються, "електроди" розряджаються - і схил вбиває свою жертву розрядом струму.
Найбільший з електричних схилів - це Torpedo nobiliana, мешканець вод Північної Атлантики; у довжину він досягає 1,8 метра, важить близько 100 кілограмів і здатний створювати різницю потенціалів у 200 вольт - цього достатньо, щоб убити будь-яку тварину, яка опинилася у воді поблизу. p align="justify"> Особлива дієвість електричного розряду у воді пояснюється тим, що вода - хороший провідник електричного струму.
Електричний схил згадується в багатьох легендах, що дійшли до нас із глибини століть; тлумачі снів вважали, що він віщує близьке нещастя. Греки та римляни знали, що схил володіє джерелом якоїсь дивної енергії, і оскільки електрика тоді не було відомо, вважали, що джерело її - якась невідома речовина. Існувало і ще одне повір'я - ніби скат, спійманий на бронзовий гачок, вбиває рибалки, що закинув снасть, причому смерть настає від згортання крові.
За старих часів скатів використовували для лікування за допомогою шоку. Лікарі поміщали невеликих скатів на голови пацієнтів, які страждають на головні болі та інші недуги; вважалося, що скат має цілющі властивості.
Електричний вугор, що генерує розряд струму напругою 650 вольт - а це в кілька разів більше тієї напруги, яка здатна створити навіть найбільший зі скатів, - цілком може вбити людину, що знаходиться поблизу у воді. Електричний вугор має мало спільного з іншими вуграми; він полягає у спорідненості з рибою-ножем і мешкає у річках. Електричний вугор досягає завдовжки 2,7 метра, а завтовшки - близько 10 сантиметрів. Чотири п'ятих його тіла займають три електричні органи, і лише одна п'ята його довжини посідає інші органи, виконують такі важливі життєві функції, як дихання, травлення, розмноження та інші.
Води, в яких живе електричний вугор, бувають бідні на кисень, але вугра це не бентежить: він навчився дихати також і атмосферним киснем. Численні кровоносні судини у його пащі здатні засвоювати кисень, і вугор захоплює повітря, піднімаючись до води.
Молодий електричний вугор добре бачить, але з віком його зір різко погіршується. Це не особливо бентежить вугра, бо в темній, каламутній воді, де він зазвичай живе, від очей все одно толку мало. Шукати видобуток вугру допомагають ті самі електричні органи: він випускає порівняно слабкі електричні імпульси, напруга яких перевищує 40 - 50 вольт; ці низьковольтні розряди допомагають йому знаходити дрібних морських мешканців, якими вугор харчується. Крім того, електричні вугри, ймовірно, здатні сприймати електричні розряди один одного - принаймні, коли один із них ударом електричного струму паралізує жертву, до видобутку спрямовуються й інші вугри.
Електричні вугри добре звикають до життя в неволі, і їх часто можна побачити в акваріумах; зазвичай акваріум обладнають яким-небудь електричним приладомдля демонстрації унікальних здібностей вугра, наприклад, лампою, до якої ведуть дроти від двох опущених у воду електродів. Коли в акваріум кидають шматочки корму або дрібних рибок, лампа спалахує, тому що, почувши видобуток, вугор починає генерувати у воді електричні розряди. Акваріум можна обладнати і звукопідсилювачами, і тоді відвідувачі почують статичні шуми, що супроводжують розряди струму, що генеруються вугром.
Поводження з електричним вугром - справа досить небезпечна. У Лондонському зоопарку вугор якось сильно вдарив електричним струмом служителя, який його годував. Інший вугор почав генерувати електричні розряди, коли його переносили в металевій коробці, і служителю довелося кинути коробку на землю. Але тільки за безпосереднього контакту удар вугра виявляється смертельним; однак плавець, який опинився у воді неподалік місця розряду, може потонути, перебуваючи в стані шоку.
Здатність вугра генерувати величезну кількість електроенергії вже більше століття привертає увагу біологів і медиків. Під час Другої світової війни нею зацікавилися і військові, у тому числі й американські: через два роки після вступу Сполучених Штатів у війну до Нью-Йорка було доставлено двісті електричних вугрів, спійманих у Південній Америці. У зоопарку в Бронксі для них влаштували двадцять два дерев'яні басейни. Вугрів використовували в експериментах з вивчення дії нервово-паралітичних газів, які блокують передачу нервових імпульсів, і таким чином можуть призупиняти роботу серця, легень та інших життєво важливих органів. Сутність дії газів полягає в тому, що вони перешкоджають розщепленню ацетилхоліну після того, як він зупиняє натрієвий насос нервової клітини. Зазвичай в організмі ацетилхолін розщеплюється відразу після того, як виконає свою функцію; процес розщеплення управляється ферментом, який називається холінестераза. Нервово-паралітичні гази таки перешкоджають дії цього ферменту.
Електричні органи вугра містять велику кількість холінестерази, яка відрізняється до того ж високою активністю; тому військовим фахівцям і знадобилися електричні вугри, привезені до зоопарку в Бронксі: вони служили джерелом ферменту, необхідного для вивчення нервово-паралітичної дії отруйних газів. Більшість працівників зоопарку лише після війни дізналися, навіщо у підвалах левового вольєру тримали таку кількість електричних вугрів.
Риби становлять меншу частину мешканців Світового океану; набагато більшу частину його мешканців складають безхребетні, і саме серед них є і найменші і найнеобразливіші водні тварини, і найбільші і небезпечні.
У пригодницьких фільмах та романах, дія яких відбувається у морях південної півкулі, часто з'являється гігантський молюск Tridacna gigas, що зображується такою собі живою пасткою, капканом, що чекає необережного плавця. Насправді цей гігант харчується планктоном і зовсім не має тієї величезної сили, яку йому зазвичай приписують, - навіть якщо розміри його раковини справді досягають 1,2 метра, а вага самого молюска 220 кілограмів. Немає жодного документованого випадку смерті людини від зіткнення з Tridacna gigasПроте навіть такі авторитетні джерела, як журнал "Наука про море", що видається американським військово-морським флотом, попереджають читача про небезпеку, яку представляє для аквалангіста цей молюск. Однак малоймовірно, що молюск, що випадково зімкнув свої стулки навколо людської ноги, утримуватиме її; швидше, він постарається позбутися незручного видобутку.
