Александр Лаздин - Электричество в жизни рыб

В отличие от пресноводных сильноэлектрических рыб электрические скаты и американские звездочеты образуют биоэлектрические поля с помощью импульсов относительно невысокого внешнего напряжения, но большой силы тока (от 40 до 60 В при 50—60 А). Это связано с тем, что в морской воде импульсы большой силы тока распространяются лучше, чем импульсы высокого напряжения, но слабой силы Мощность отдельных импульсов электрических скатов достигает нескольких киловатт. Такие разряды оказывают весьма сильное воздействие и на человека.

Наблюдения показали, что момент разряда электрического ската совпадает с его броском на жертву. Пищу ската составляют довольно крупные и быстро плавающие рыбы (ставрида, кефаль), а также ракообразные. Поэтому добыть их скат может только с помощью электрического оружия Электрическими разрядами скат отпугивает своих соперников и нападающих на него хищников, например акул Необыкновенные свойства, которыми природа наделила сильноэлектрических рыб, дают им в борьбе за существование большое преимущество.

Слабоэлектрические рыбы излучают относительно слабые электрические сигналы. Долгое время было непонятно назначение их электрических органов Однако в 1958 г. английский ученый Г. Лиссман, используя новейшую электронную технику, установил, что они применяют свои электрические поля для ориентации и общения. После работ Лиссмана внимание исследователей сосредоточилось на способности рыб воспринимать и анализировать электрические свойства объектов в окружающей среде. Неожиданным стало открытие, что большинство видов рыб (не только электрических!) способно генерировать, воспринимать и применять электрические поля в целях сигнализации.

Изучение механизмов, которые рыбы применяют для генерации и восприятия электрических полей, характеристик этих полей имеет большое научное и практическое значение. Данные исследований могут быть использованы в медицине, рыбном хозяйстве и бионике.

Электрогенераторы у рыб

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[1]»[2].

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.