Содержание
Расскажите об электрических рыбах. Какой величины ток они вырабатывают?
Электрический сом. Электрический угорь. Электрический скат. ‹
В. Кумушкин (г. Петрозаводск).
Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю, живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы — преобразованные мышцы — располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус — в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей — до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.
В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба — электрический сом. Размеры его поменьше — от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.
Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.
Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты. Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу (других рыб) разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.
Помимо электрических зарядов большой силы рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы и гимнархи, обитающие в мутных водах рек, озер и болот Африки.
Вообще же, как показали экспериментальные исследования, практически все рыбы, и морские, и пресноводные, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.
Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»
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 моллюсков рода наутилус (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 (Источник: Wikipedia)
Джейсон Гэллент с коллегами провели секвенсирование генома ряда рыб с электрическими органами, и выяснили, что многие из изученных ими видов не являются родственниками. «Изобретение» природой электрических органов у рыб шло параллельно, но строение батарей очень схоже у всех. Всего ученые насчитали 6 независимых друг от друга эволюционных линий, приведших к появлению электрических органов. Пожалуй, электрический угорь является одним из видов рыб, которые используют этот орган наиболее искусно.
Где у рыб электростанция?
Электрические явления в организме рыб заинтересовали ученых, занимающихся явлениями природной энергии. Первые эксперименты по изучению биологического электричества проводил Фарадей. Для своих опытов он использовал скатов как самых сильных производителей зарядов.
Одно, на чем сошлись все исследователи, что основная роль в электрогенезе принадлежит клеточным мембранам, которые способны раскладывать положительные и отрицательные ионы в клетках, в зависимости от возбуждения. Видоизмененные мышцы рыб, которые соединены между собой последовательно, это и есть так называемые электростанции, а соединительные ткани – проводники.
«Энергодобывающие» органы могут иметь самый различный вид и место размещения. Так, у скатов и угрей это почкообразные образования по бокам, у рыб-слонов – цилиндрические нити в районе хвоста.
Как уже было сказано, производить ток в том или ином масштабе свойственно многим представителям этого класса, но есть настоящие электрические рыбы, которые опасны не только для других животных, но и для человека.
Семейство скатов
Электрические рыбы — скаты — объединяются в три семейства и насчитывают около сорока видов. Им свойственно не только вырабатывать электричество, но и аккумулировать его, чтобы использовать в дальнейшем по назначению.
Основная цель выстрелов – отпугивание врагов и добыча мелкой рыбешки для пропитания. Если скат выпустит за один раз весь свой накопленный заряд, его мощности хватит, чтобы убить или обездвижить крупное животное. Но такое происходит крайне редко, так как рыба — скат электрический — после полного «обесточивания» становится слабой и уязвимой, ей требуется время, чтобы снова накопить мощность. Так что свою систему энергоснабжения скаты строго контролируют с помощью одного из отделов мозга, который выполняет роль реле-выключателя.
Семейство гнюсовых, или электрических скатов, называют еще «торпедами». Самый крупный из них – обитатель Атлантического океана, черный торпедо (Torpedo nobiliana). Этот вид скатов, которые достигают в длину 180 см, вырабатывает самый сильный ток. И при близком контакте с ним человек может потерять сознание.
Скат Морсби и токийский торпедо (Torpedo tokionis) – самые глубоководные представители своего семейства. Их можно встретить на глубине 1 000 м. А самый маленький среди своих собратьев – индийский скат, его максимальная длина — всего 13 см. У берегов Новой Зеландии живет слепой скат – его глаза полностью спрятаны под слоем кожи.
Нильский дракончик
Еще один африканский электрический представитель царства рыб – нильский гимнарх, или аба-аба. Его изображали на своих фресках фараоны. Обитает он не только в Ниле, но в водах Конго, Нигера и некоторых озер. Это красивая «стильная» рыбка с длинным изящным телом, длиной от сорока сантиметров до полутора метров. Нижние плавники отсутствуют, зато один верхний тянется вдоль всего тела. Под ним и находится «батарейка», которая производит электромагнитные волны силой 25 В практически постоянно. Голова гимнарха несет положительный заряд, а хвост — отрицательный.
Свои электрические способности гимнархи используют не только для поиска пищи и локации, но и в брачных играх. Кстати, самцы гимнархов просто потрясающе фанатичные отцы. Они не отходят от кладки икринок. И стоит только приблизится кому-то к детям, папа так окатит нарушителя электрошокером, что мало не покажется.
Гимнархи очень симпатичны — их вытянутая, похожая на дракончика, мордочка и хитрые глазки снискали любовь среди аквариумистов. Правда, симпатяга довольно агрессивен. Из нескольких мальков, поселенных в аквариум, в живых останется только один.