Електричні риби

Можливо, вам доводилося чути про здатність електричного вугра генерувати розряди та використовувати їх для знерухомлення видобутку та захисту від ворогів. У той самий час, не всім відомо, що є кілька видів риби, здатних генерувати і вловлювати електричні потоки, і користуватися цим «шостим почуттям» у різних цілях. За допомогою розрядів, що генеруються особливими електричними органами та електричними рецепторами, розташованими біля поверхні тіла, електрична риба може збентежувати видобуток або більших хижаків, розпізнавати предмети, виявляти жертву і навіть спілкуватися з іншими особинами. Про те, яким чином електрична риба здійснює всі ці дії, йтиметься. У статті наведено приклади описів поведінки особин.

Риба-слон та електричний сом.

Три основні категорії електричних риб

Сильноелектричні, такі як електричний вугор, що генерують потужні розряди. Напруга розряду, виробленого цим видом, сягає 500-600В, що достатньо знищення інших організмів. Такий розряд небезпечний для великих морських мешканців та дорослої людини (Schmidt-Neilsen 2001)
Слабоелектричні види виробляють слабкі розряди, нездатні вбити або навіть збентежити жертву. Такі сигнали використовуються не стільки для ураження жертви, скільки для її виявлення, або для виявлення різних об'єктів у середовищі, а також як засіб спілкування.
Деякі види, що належать до третьої категорії, взагалі не здатні генерувати розряди, проте вони вловлюють слабкі електричні імпульси, що спостерігаються у всіх організмах, оскільки вони регулюють м'язову функцію.Така електрорецепція допомагає їм виявляти слабкі електричні сигнали в організмі тварин, на які вони полюють, і дає змогу атакувати жертву з більшою точністю (Schmidt-Neilsen 2001).

Сильноелектричні

Слабоелектричні

Електричний сигнал

Механізм генерації та виявлення електричних сигналів електричною рибою.
Електричні сигнали генеруються про електричними органами. У слабоелектричних видів, таких як риба-слон (Gnathonemus petersii), цей орган розташований в ділянці хвоста (Kawasaki).

У сильноелектричних видів електричний орган має великі розміри та займає значну частину тіла. Наприклад, електричний орган вугра займає до 40% тіла (Schmidt-Neilsen 2001).

Схематичне зображення риб та їх електричного органу. a) Сильноелектричні, (b) слабоелектричні. Електричний орган позначений червоним кольором. Поперечний зріз вказаний лінією. Стрілками позначені напрями та послідовність електричних сигналів, що проходять через орган; Довжина цих стрілок пропорційна амплітуді послідовних фаз (якщо більше одного). Представники Raja та Torpedo хрящові риби, решта — кісткові. Astroscopus, кілька видів звіздарів, окуні; Malapterurus electricus, електричний сом; Gnathonemus sp., риба-слон, Gymnarchus niloticus є Морміріформними (Mormyriforms); Electrophorus electricus, електричний вугор, Gymnotus sp. та Sternarchus sp. всі гімнотиформні (gymnotiforms), риба-ніж [Srivastava, Szabo (1973);
Libouban, Szabo, Ellis (1981)]. Генерація електричних сигналів
Рибу, здатну генерувати електричні сигнали, називають електрогенною (лабораторія Нельсона).Електричні органи складаються з електричних платівок, зібраних у стовпчики, які утворюють змінену м'язову масу, нездатну до скорочення. У цих органах відбувається генерація електричного струму. Кожна з пластин має з одного боку гладку поверхню, яка забезпечена нервовими закінченнями; А протилежна сторона має складчасту структуру. У стані спокою обидві сторони мають позитивний заряд зовні та негативний усередині, тому різниця потенціалів між сторонами дорівнює нулю. Для того, щоб зробити імпульс, мозок посилає електричний сигнал до верхньої платівки стовпчика, який деполяризує багату нервовими закінченнями поверхню платівки. Завдяки цьому створюється напруга навколо пластинки, яка деполяризує наступну пластинку, утворюючи електричний струм. Таким чином хвиля деполяризації проходить через весь стовпчик. Зібрані в стовпчики електропластинки працюють подібно до групи, що складається з батарей. Заряди, що виробляються цими з'єднаними між собою батареями, надходять у навколишнє середовище і використовуються як засіб спілкування, а також як засіб виявлення предметів і зброя проти потенційних хижаків або видобутку з метою їх нейтралізації або умертвіння (Schmidt-Neilsen 2001).

Анімація відбиває принцип генерації електричного сигналу. У стані спокою всі електричні пластинки мають єдиний заряд. При надходженні електричного імпульсу від мозку гладка іннервована сторона пластинки деполяризується, створюючи напругу. Хвиля продовжує рух вздовж стовпчика, генеруючи заряд, який може бути дуже потужним (мал. Masashi Kawasaki).

Як здійснюється прийом електричних сигналів

Крім генерації електричних імпульсів, риба здатна приймати і обробляти електричні сигнали, як власні, так і від інших особин. Здібність риб виявляти електричні сигнали називається електрорецепцією (лабораторія імені Нельсона). Сигнали виявляються за допомогою особливих рецепторів, які розташовані в шкірному покриві електричної риби. Рецептори можуть бути двох типів: бульбоподібні та ампулярні. Бульбоподібні рецептори чутливі до високочастотних сигналів (частотою кілька сотень Гц), і вони властиві електричній рибі. Ампулярні рецептори присутні як в організмах електричних риб, так і неелектричних, і вони сприймають сигнали, що мають набагато нижчу частоту (Schmidt-Neilsen 2001)

Нейтралізація противника електрошоком

Найбільш відомою здатністю електричної риби є здатність атакувати супротивника за допомогою електричних розрядів. Електричний вугор, електричний скат та електричний сом мають електричні органи, які можуть генерувати розряди, здатні паралізувати чи навіть вбити інші види. Позитивний полюс розташовується в ділянці голови, негативний - в ділянці хвоста (Gerrow 2002).

Електричний вугор (Electrophorus electricus). Даний вид здатний виробляти розряди напругою близько 600 В, хоча є й інші дані (Бейлі та співавт.). По суті, у електричного вугра є не один, а цілих три електричні органи. Один із них – орган Сеча – виробляє слабкі імпульси, які використовуються для виявлення жертви та орієнтування у просторі. Основний електричний орган, а також орган мисливця, виробляють і накопичують електрику, створюючи потенціал для сильних розрядів.Вугор атакує жертву, випускаючи імпульс у простір, або простим дотиком, що ефективнішим способом. Після випуску розряду вугру потрібно майже годину для того, щоб «перезарядитися» і знову досягти максимального заряду (Gerrow 2002)

Електричний вугор і три відділи електричного органу: орган Сеча, орган мисливця і основний орган. Їхнє розташування можна подивитися на ілюстрації вище.

Електричний сом (Malapterurus electricus). Електричний сом атакує також як і електричний вугор - випускаючи розряд у воду або, найчастіше, шляхом безпосереднього дотику. У той же час його розряди не такі потужні, як у вугра (близько 350 В), однак і такої потужності достатньо для нейтралізації та полону інших риб. Насамперед, сом генерує основний розряд, за яким можуть наслідувати кілька слабких розрядів (Gerrow 2002)

Електричний скат (Torpedo torpedo). Електричний скат є одним з найвідоміших видів скатів, проте це лише один із 35 видів електричних скатів. Скати використовують незвичайний спосіб полонення жертви завдяки своєму потенціалу та унікальній будові тіла. За допомогою великих крилоподібних плавців скат повністю поглинає видобуток. Полонивши таким чином жертву, скат генерує потужний розряд (до 200 В) і вбиває її (Gerrow 2002)

Спілкування за допомогою електричних сигналів

Електрична риба використовує електричні сигнали як спілкування, як і людина використовує вербальні звукові сигнали. За допомогою електричного органу риба виробляє імпульс, який поширюється у водному середовищі та вловлюється рештою її мешканців, які обробляють отриманий сигнал.Значення імпульсу визначається його фізичними характеристиками. Риба безперервно виробляє сигнали і тим самим забезпечує безперервний інформаційний потік. Сигнал несе інформацію про те, до якого виду риб належить виробляюча його особина, а також про її поле, ступінь готовності до розмноження, соціальний статус і навіть рівень агресії. Хоча вченим вдалося досягти певного прогресу в розпізнаванні різних сигналів, розшифровка «риб'яної мови» — дуже важке завдання, і в цій галузі ще багато чого потрібно вивчити. Усі особи здатні змінювати характеристики сигналів залежно від мети їхнього випуску.

Пасивна електролокація

Електрична риба має здатність генерувати та приймати електричні сигнали з метою полювання. Всі морські організми випромінюють слабкі електричні розряди, які добре проводяться у навколишньому водному середовищі. Електрична риба вловлює ці сигнали, які походять від потенційної жертви. Риба здатна з точністю визначати місце, де знаходиться жертва, відстежувати її рухи і навіть вибирати найбільш ефективну манеру атаки (von der Emde 1999). Таке електролокаційне полювання має низку переваг. По-перше, вона дозволяє електричній рибі виживати за рахунок видів, полювання на які без електролокації було б неможливе, оскільки тільки електричні сигнали дозволяють визначати місцезнаходження жертви, що приховується. Також, ця здатність доповнює інші сенсорні функції та створює більш повне уявлення про навколишнє оточення та доступність їжі.

Хоча акули і скати є найбільш відомими «електролокаційними» хижаками, цією здатністю мають також деякі інші види. Нижче наведено кілька прикладів.

Веслоніс (Polyodon spathula) – вид прісноводних риб, що харчується зоопланктоном. Дорослі особини здатні відфільтровувати їжу, однак у молодих особин відсутні так звані зяброві тичинки, тому вони знаходять планктонних тварин і нападають на них вибірково. Веслоноси живуть у каламутній воді, у них слабо розвинені органи зору. Тому під час полювання на зоопланктон вони покладаються на електричні органи. (Wilkens та ін.1997).

Американська куня акула. Полювання за допомогою електролокації великою мірою властиве американською куньею акуле (Mustelus canis). Ця риба харчується дрібнішими видами риб, які здатні швидко пересуватися і зазвичай ховаються від хижаків у донному піску. Здатність до електролокації дозволяє точно визначити місце, де ховається жертва, навіть якщо вона ховається під шаром піску. Акула завдає удару з граничною точністю, проте, у разі невдачі при атаці, жертва швидко залишає місце, і зловити її вже неможливо (Kalmijn 1982)

Синя акула Доведено, що деякі види акул та схилів здатні до електролокації. У ході наукових дослідів з синіми акулами (Prionace glauca) з'ясувалося, що акули вважають за краще атакувати видобуток, що імітується електричними полями, ніж видобуток, що імітується запахами (Kalmijn 1982)

При пасивній електролокації, електрична риба лише виявляє електричні поля інших організмів. При активній локації риба виявляє електричні поля, створюючи при цьому власне поле. Об'єкти розпізнаються шляхом аналізу створюваних ними перешкод електричному полі.

Навігація

Активна електролокація

Активна електролокація у електричної риби подібна до ехолокації у кажанів.При активній електролокації риба посилає електричні сигнали в навколишнє водне середовище. Будь-який об'єкт, що знаходиться в межах електричного поля, впливає на сигнал, створюючи перешкоди.

Риба у процесі електролокації. Особина генерує заряд і створює навколо себе електричне поле. Об'єкт (показаний у вигляді червоного кружка) трохи спотворює поле. Зафіксувавши перешкоду в електричному полі, риба визначає місце розташування, форму, розмір та електричні властивості об'єкта (мал. Masashi Kawasaki)

Риба фіксує перешкоди за допомогою електрорецепторів, які розташовані біля поверхні шкіри. На ділянки тіла риби з електрорецепторами, що вловлюють перешкоди в сигналі, проектується електрична картинка (von der Emde 1999), обробивши яку, риба отримує інформацію про об'єкт.

За допомогою активно електролокації електрична риба збирає різну інформацію. Вона може визначати відстань до об'єктів, їх розміри, форму та електропровідність. Це досягається шляхом обробки різних аспектів "електричної картинки", що створюється об'єктом на тілі риби, таких як розмір, частота, розташування на тілі та інтенсивність. Риба-слон (Gnathonemus petersii) має здатність розрізняти живий і неживий матеріал (von der Emde 1999)

Приклади електролокації:

Як слабоелектрична риба-слон (Gnathonemus petersii) розпізнає об'єкти за допомогою електричних сигналів.
Електричні характеристики. Об'єкти можуть проводити електрику краще, ніж навколишня вода, або гірше, або взагалі не мати електропровідність. Якщо об'єкт має більш високу електропровідність, ніж вода, що випускається рибою, сигнал буде притягуватися об'єктом і прагнутиме в його напрямку.Коли риба засікає цей сигнал, навколо об'єкта виникає інтенсивне електричне поле, яке зазвичай оточене областю слабкого поля; в результаті, спостерігається ефект «профілю мексиканської капелюхи». Об'єкти з меншою електропровідністю, або не мають її, дають протилежний ефект (von der Emde 1999).

Зміна характеру електричного поля поблизу електропровідних та неелектропровідних об'єктів

Електропровідний об'єкт (ліворуч) притягує сигнал, збільшуючи щільність сигналу, що подається на рецептори. Непровідний об'єкт (праворуч), навпаки, створює область низької щільності шляхом блокування електричного сигналу. Малюнок запозичений з Gerhard von der Emde (von der Emde 1999)

Виявлення об'єктів та визначення їх форми

Риба, що орієнтується у просторі за допомогою електролокації, визначає форму об'єкта та його місцезнаходження виходячи з його проекції на «електричній картинці». Місце, де проектується ця «картинка» залежить від того, де знаходиться об'єкт; таким чином, аналіз розташування «картинки» на тілі риби дозволяє визначити місце розташування об'єкта щодо розташування риби. За таким же принципом форма «картинки» відображає форму об'єкта (von der Emde 1999 р.)

Відстань

Визначити відстань до об'єкта складніше, оскільки «картинка» не може прямо відобразити відстань так само як місце розташування та форму об'єкта. Велика "картинка" на тілі риби у вигляді кола може бути обумовлена ​​як перебуванням у безпосередній близькості великого сферичного об'єкта, так і перебуванням меншого об'єкта на значній відстані.

"Електричні картинки", що проектуються об'єктами однакового розміру, розташованими на різній відстані. Більш віддалений об'єкт робить більшу і водночас більш розмиту картинку.Малюнок запозичений з Gerhard von der Emde (von der Emde 1999)

"Електрична картинка" об'єкта на ділянці тіла слабоелектричної риби (von der Emde 1999). Зверху об'єкт знаходиться далеко від риби, знизу - близько до риби

Герхард Герхардт фон дер Емде пропонує порівняльний аналіз, який пояснює те, як на його думку риба-слон визначає відстань за допомогою електролокації: «Кожен об'єкт створює проекцію, на кшталт «електричної тіні» на поверхні тіла риби, яка збільшується в розмірах у міру видалення риби від об'єкта. Крім того, краї «тіні» стають розмитими, вона стає менш яскравою (von der Emde 1999). Таким чином, риба визначає відстань до об'єктів, порівнюючи «картинки» за яскравістю та розмитістю. Інші вчені дотримуються інших гіпотез (Budelli and Caputi 2000) Є підстави припускати, що різні види риб визначають відстань до об'єктів по-різному (von der Emde 1999).

При пасивній електролокації, електрична риба лише виявляє електричні поля інших організмів. При активній локації риба виявляє електричні поля і створює власне поле. Об'єкти розпізнаються шляхом аналізу створюваних ними перешкод електричному полі.
——
www.bio.davidson.edu

[user] Bastian, Joseph, Staphanie Schniederjan, і Jerry Nguyenkim. 2001. Aginine Vasotocin modulates sexually dimorphic communication behavior in weakly electric fish Apteronotus leptorhynchus. Journal of Experimental Biology. 204 (11): 1909-1923.

Budelli, Ruben, і Angel A. Caputi. 2000. Electric image in weakly electric fish: perception of objects of complex impedance. Journal of Experimental Biology. 203:481-492.

Hopkins, Carl D. 1972. Sex differences in electric signaling in electric fish. Science, New Series. 176 (4038): 1035-1037.

Hopkins, Carl D., і Andrew H. Bass. 1981. Temporal coding of species recognition in an electric fish.Science, New Series. 212 (4490): 85-87.

Kalmijn, Ad. J. 1982. Electric and magnetic field detection в Elasmobranch fishes. Science, New Series. 218 (4575) 916-918.

Нелсон, Марк Е. та Malcolm A. Maciver. 1999. Prey capture in the weakly electric fish Apteronotus albifrons: sensory acquisition stratégies and electrosensory consequences. Journal of Experimental Biology. 202: 1195-1203.

Schmidt-Neilsen, Knut. 2001. Animal Physiology. Fifth Edition. Cambridge University Press, New York, NY.

Trifenbach, Frank, і Harold Закон. 2002. Effects of sex, sensitivity and status on cue recognition in weakly electric fish Apteronotus leptorhynchus. Animal Behavior. 65 (1): 19-28.

von der Emde, Gerhard. 1999. Active Electrolocation of objects in weakly electric fish. Journal of Experimental Biology. 202:1205-1215.

Wilkens, Lon A., David F. Russell, Xing Pei, і Craig Gurgens. 1997. Paddlefish rostrum functions є electrosensory antenna в plankton feeding. Proceedings: Viological Sciences. 264 (13889): 1723-1729.

Yoder, J. B. 2002. The 'Sixth Sense' of Weakly Electric Fish. H2G2.

Bailey, Dan, Kaile Neuschatz, і Bob Sandheinrich. 2002 The Amazing Electric Eel. Accessed Oct 10 2003.
Field, Simon Quellen. Chapter 8: biology Accessed Oct. 15, 2003.
Gerrow, Elizabeth. 2002. Electric Fish. ANEMAW Animal Electromagnetism and Waves Accessed Oct. 18 2003.
Kawasaki, Masashi. What is an electric fish? University of Virgina. Accessed Oct. 15 2003. Nelson Lab. Electric Fish. Accessed Oct. 15 2003.
soma.npa.uiuc.edu/labs/nelson/electric_fish.html [/user]

Електричні риби

Брати до рук оголені електричні дроти не можна: ударить струмом. Те саме може трапитися, якщо доторкнутися до деяких тварин, наприклад електричного вугра.Як у тілі цієї риби народжується електрика і на які технології надихнула вчених ця особливість, — розбиралася «Енергія+».

Тварини б'ють струмом завдяки електричним органам, що складаються з модифікованих м'язових клітин - електроцитів. Зовні вони нагадують платівки і з'єднані між собою послідовно, як маленькі акуратні таунхауси в передмісті, розташовані один за одним уздовж вулиці. До кожного електроциту як інтернет-кабель до кожного будинку приєднаний нерв. Всі нерви синхронно можуть передати своїм клітинам один-єдиний сигнал: "Настав час накопичити заряд". Риби, що утворюють електричний струм, можуть використовувати цей механізм для самозахисту або пошуку їжі.

Вироблення струму електричними рибами залежить від складної електроцитів. У момент передачі нервового імпульсу в електроциті-«котеджі» відкриваються два двері: парадні та задні. Через парадну в електроцит проникають іони калію, що «вартують» під дверима, — носії позитивного заряду. Присутність у «будинку» непроханих гостей не влаштовує його мешканців (це позитивно заряджені іони натрію) і змушує їх демонстративно вийти через інші двері на заднє подвір'я. В результаті по обидва боки клітини виникають різноіменні заряди: негативний через перетікання іонів калію всередину і позитивний через вихід іонів натрію назовні. Натрій та калій потрапляють в організм електричної риби через їжу.

Електричний вугор накопичує заряд за допомогою спеціальних органів із видозмінених м'язових клітин електроцитів. Сила струму електричного вугра справді велика. Він здатний створювати різницю потенціалів (напруга) до 860 В та силу струму до 40 міліампер.

Як між господарями будинку та непроханими гостями, між різноіменними зарядами з різних боків електроциту виникає напруга, тільки не психологічна, а електрична. Воно становить соті частки вольта, але через послідовне з'єднання тисяч електроцитів напруга кожному з них складається. Електричні клітини займають близько 4/5 тіла вугра, а виростають ці риби до 2,5 метра: розмір генеруючої поверхні може бути більшим за людський зріст! Сумарна напруга, що видається вугрем, досягає сотень вольт.

Електричні риби надають дивовижний діапазон механізмів для створення струму в природі. Електричні скати генерують струм так само, як і вугри. Соми використовують для вироблення енергії спеціальний тонкий шар під шкірою, мормирові риби - ниткоподібні утворення, а у північноамериканського зоречета, який обожнює зариватися в пісок, електричні органи перебувають у підочному просторі.

Сила електричного удару

У вересні 2019 року стало відомо про вугрі-рекордсмен, здатний генерувати розряд струму в 860 вольт. Ім'я героя - Electrophorus voltai, і на сьогоднішній день ця електрична риба - наймогутніший генератор біоелектрики в природі. Наскільки грізна ця зброя? Силу електричного удару оцінюють за потужністю - добутку напруги на силу струму. Максимальна сила струму 40-сантиметрової риби - 40-50 міліампер. Чим більша особина, тим більшим може бути цей показник. Людина мимоволі смикає руку при силі струму від 5 до 10 міліампер.

Електричні риби - наприклад, вугрі - демонструють і вражаючу силу струму, і ефективне використання електроорганів для захисту та орієнтації в навколишньому просторі.Максимальна потужність електричного удару вугра: 0,04 ампера х 860 вольт = 34,4 Вт, тоді як потужність електрошокера для самозахисту - 10 Вт. Електрика вугра здається небезпечною, але є нюанс: вода знижує вплив на жертву, і вугор може приголомшити лише дрібну рибку, а крокодилів — гарненько налякати. Молоді та недосвідчені представники сімейства алігаторових нерідко піддаються «шоковій терапії», натомість назавжди засвоюють урок: до риб, схожих на змію, краще не наближатися. Втім, своїм електричним даром вугри користуються економно: для орієнтації у просторі (електролокації), наприклад, вони застосовують слабку напругу – лише 10 вольт.

Дякую рибам за ідею

Риби, що створюють електричний струм, - цікавий об'єкт вивчення. Будова електричних органів вугра та біологічні принципи отримання енергії колись лягли в основу схеми гальванічних елементів — хімічних джерел струму, що ґрунтуються на взаємодії двох металів або їх оксидів в електроліті (речовині, що проводить електричний струм). Але вчені на цьому не зупинилися і досі шукають способів надихнути пристрій електричних тварин.

Будова тіла електричного вугра надихає вчених створення мініатюрних переносних джерел енергії

У 2016 році китайські дослідники вирішили відтворити властивість електричного вугра "все своє носити з собою", тобто мати при собі генератор електрики, вбудований у тіло. Так були створені еластичні волокна, які можна вплітати в одяг або використовувати як джерело живлення переносної електроніки.Розробка є подобою конденсаторів, здатних вивільняти енергію набагато швидше, ніж традиційні батареї, хоча ємність їх дуже мала. Під час досліджень вчені створили браслет, який самостійно живив електронний годинник і футболку, що світиться.

Інша група інженерів у 2017 році створила елементи живлення для медичних імплантатів. За допомогою гідрогелю, 3D-принтера, морської та прісної води, пластикових листів та спеціальних мембран, що розділяють численні осередки батарейки між собою, вони вигадали технологію, яка дозволила домогтися отримання електрики без необхідності зовнішньої підзарядки.

Вчені досі уважно досліджують здібності наших менших побратимів, у тому числі й електричних риб, і продовжують перетворювати їхні еволюційні переваги на самостійні технології чи доповнення до існуючих. Але природа витрачала на еволюцію мільйони років, і людям ще не вдалося відтворити її шедеври у промислових масштабах. Поки що «живі» батареї — це приклад цікавої та наукомісткої розробки, яка не вирішує головних завдань енергетики.