Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»
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.
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.
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.
yaplakal.com