Содержание
электрический угорь и его «энергостанция» / Хабр
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.
Источник: animalpicturesociety.com
Как устроены электрические рыбы? | Вокруг Света
Вопрос–ответ
- Фото
- Phil Garner / Alamy
Сегодня существует более 300 видов рыб с электрическими органами. Их расположение, форма и строение могут быть разными. Например, у электрических скатов и угрей они находятся симметрично по бокам тела в виде почкоподобных образований, у электрического сома это тонкий подкожный слой, а у мормирид и гимнотид — нитевидные цилиндрические образования.
Электрические органы могут составлять до 25% массы рыбы. Они состоят из собранных в столбики пластинок. Каждая такая пластинка является видоизмененной мышечной, нервной или железистой клеткой. Ее мембрана работает как электрический микрогенератор, создавая напряжение около 0,1 вольта. Но поскольку каждая пластинка — это часть единой цепи, общий электрический заряд многократно увеличивается. У электрического ската около 500 столбиков, расположение которых напоминает пчелиные соты, и в каждом по 400 пластинок. У угря 70 горизонтальных столбиков по 6000 пластинок. А у электрического сома их около 2 миллионов, причем расположены они хаотично.
Разность потенциалов на концах электрических органов может достигать 1200 вольт, а мощность разряда в импульсе — от 1 до 6 киловатт. Частота импульсов зависит от их назначения. Например, электрический скат испускает 10–12 импульсов, когда защищается, и от 14 до 562, когда нападает. Мощность напряжения в разряде у разных рыб колеблется от 20 до 600 вольт.
Среди морских рыб самый «сильный» электрический орган у ската Torpedo maromata — он может генерировать разряд более 200 вольт. Электричество защищает его и от акул, и от осьминогов, а также позволяет охотиться на мелких рыб.
У пресноводных рыб разряды еще мощнее. Дело в том, что соленая вода лучше проводит электричество, чем пресная. Поэтому морским рыбам, чтобы оглушить противника, требуется меньше энергии. Одна из самых опасных пресноводных рыб — это электрический угорь из Амазонки. На его теле три электрических органа. Два из них для навигации и поиска добычи, а третий представляет собой мощнейшее оружие с напряжением более 500 вольт. Электрический удар такой силы не только убивает рыбу и лягушек, но даже может нанести серьезный вред человеку. Поэтому ловить амазонских угрей очень опасно. Для этого в реку загоняют стадо коров, чтобы угри истратили на них весь свой заряд. Только после этого люди заходят в воду.
Некоторые рыбы используют электричество для навигации.
Например, нильский слоник или рыба-нож создают вокруг себя электромагнитное поле. Когда в него попадает посторонний объект, рыба сразу это чувствует. Такая навигационная система напоминает эхолокацию летучих мышей. Она позволяет хорошо ориентироваться в мутной воде. Как показали исследования, многие электрические рыбы настолько чувствительны к изменению электромагнитных полей, что способны «предвидеть» приближающееся землетрясение.
Теги
- наука
- животные
Сегодня читают
Простая детская задачка из СССР, с которой не могут справиться многие взрослые
Тест на внимательность: только 2 человека из 10 смогут найти черепаху на этой картинке
Тест на проверку эрудиции: 5 фактов о мире, которые стыдно не знать
Тест на внимательность: помогите путешественнице найти 10 предметов
Тест на возраст мозга: попробуйте найти на картинке 10 предметов
Этот источник энергии поразительно похож на угря.
Электрические угри известны своей способностью оглушать добычу разрядом высокого напряжения. Вдохновленные этим существом, ученые применили удивительный секрет угря, чтобы создать мягкий и гибкий новый способ производства электричества. Их новый искусственный электрический «орган» мог обеспечивать питание в ситуациях, когда обычные батареи просто не работали.
Благодаря воде в качестве основного компонента новый искусственный орган может работать там, где он влажный. Таким образом, такое устройство могло бы питать роботов с мягким телом, которые были разработаны, чтобы плавать или двигаться, как настоящие животные. Это может быть даже полезно внутри тела, например, для запуска кардиостимулятора. И он генерирует энергию с помощью простого движения: просто сжатия.
Электрические угри, подобные показанному здесь, используют специальные клетки, называемые электроцитами, для создания электрических разрядов, которые оглушают их добычу. научная встреча в Сан-Франциско, Калифорния
Электрические угри генерируют свой электрический заряд с помощью специализированных клеток.
Известные как электроцитов , эти клетки занимают большую часть тела угря длиной 2 метра (6,6 фута). Тысячи этих клеток выстраиваются в линию. Вместе они выглядят как ряды сложенных друг на друга булочек для хот-догов. Они очень похожи на мышцы, но не помогают животному плавать. Они направляют движение заряженных частиц, называемых ионов , для выработки электроэнергии.
Крошечные трубки соединяют клетки, как трубы. Большую часть времени эти каналы позволяют положительно заряженным молекулам — ионов — течь наружу как спереди, так и сзади клетки. Но когда угорь хочет нанести удар током, его тело открывает одни каналы и закрывает другие. Подобно электрическому выключателю, теперь положительно заряженные ионы проходят через каналы с одной стороны и выходят с другой.
При движении эти ионы в некоторых местах создают положительный электрический заряд. Это создает отрицательный заряд в других местах. Эта разница в зарядах вызывает струйку электричества в каждом электроците.
С таким количеством электроцитов эти струйки складываются. Вместе они могут произвести достаточно сильный толчок, чтобы оглушить рыбу или свалить лошадь.
Точка за точкой
В новом искусственном органе используется собственная версия электроцитов. Он не похож ни на угря, ни на батарею. Вместо этого цветные точки покрывают два листа прозрачного пластика. Вся система напоминает пару листов разноцветной пузырчатой пленки, наполненной жидкостью.
Цвет каждой точки соответствует разному гелю. На одном листе расположены красные и синие точки. Соленая вода является основным ингредиентом красных точек. Синие точки сделаны из пресной воды. Второй лист имеет зеленые и желтые точки. Зеленый гель содержит положительно заряженные частицы. Желтый гель содержит отрицательно заряженные ионы.
Чтобы получить электричество, выровняйте один лист над другим и нажмите.
Эти точки цветных мягких гелей содержат воду или заряженные частицы. Сжимая точки так, чтобы они соприкасались, можно генерировать небольшое, но полезное количество электричества.
Томас Шредер и Анирван Гуха
Красные и синие точки на одном листе будут располагаться между зелеными и желтыми на другом листе. Эти красные и синие точки действуют как каналы в электроцитах. Они будут пропускать заряженные частицы между зелеными и желтыми точками.
Как и у угря, это движение заряда создает крошечную струйку электричества. А также, как и в случае с угрем, множество точек вместе могут создать настоящий толчок.
В ходе лабораторных испытаний ученым удалось получить 100 вольт. Это почти столько же, сколько обеспечивает стандартная электрическая розетка в США. Команда сообщила о своих первых результатах в Nature в декабре прошлого года.
Искусственный орган сделать несложно. Его заряженные гели можно распечатать на 3D-принтере. А так как основным ингредиентом является вода, эта система не является дорогостоящей. Он также довольно прочный. Даже после того, как их сжали, сжали и растянули, гели все еще работают. «Нам не нужно беспокоиться о том, что они сломаются», — говорит Томас Шредер.
Он руководил исследованием с Анирваном Гуха. Оба являются аспирантами Фрибургского университета в Швейцарии. Они изучают биофизику или то, как законы физики работают в живых существах. Их команда сотрудничает с группой из Мичиганского университета в Анн-Арборе.
Вряд ли новая идея
На протяжении сотен лет ученые пытались имитировать работу электрических угрей. В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрел одну из первых батарей. Он назвал это «электрической сваей». И он разработал его на основе электрического угря.
«Существует множество легенд об использовании электрических угрей для получения «бесплатного» электричества, — говорит Дэвид ЛаВан. Он специалист по материалам в Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, 9.0003
ЛаВан не работал над новым исследованием. Но 10 лет назад он руководил исследовательским проектом по измерению того, сколько электроэнергии производит угорь. Оказывается, угорь не очень эффективен.
Он и его команда обнаружили, что угрю нужно много энергии — в виде пищи — для создания небольшого толчка. Таким образом, клетки на основе угря «вряд ли заменят другие возобновляемые источники энергии», такие как солнечная или ветровая энергия, заключает он.
Но это не значит, что они не могут быть полезны. По его словам, они привлекательны «для приложений, где требуется небольшое количество энергии без отходов металла».
Мягкие роботы, например, могут работать на небольшом количестве энергии. Эти устройства предназначены для использования в суровых условиях. Они могут исследовать дно океана или вулканы. Они могут искать выживших в зонах бедствия. В таких ситуациях важно, чтобы источник питания не умер, если он намокнет или его раздавят. Шредер также отмечает, что их мягкая гелевая сетка может генерировать электричество из других неожиданных источников, таких как контактные линзы.
Шредер говорит, что команде потребовалось много проб и ошибок, чтобы получить правильный рецепт искусственного органа.
Над проектом работали три-четыре года. За это время они создали множество различных версий. По его словам, сначала они не использовали гели. Они пытались использовать другие синтетические материалы, которые напоминали мембраны или поверхности электроцитов. Но эти материалы были хрупкими. Они часто разваливались во время испытаний.
Гели просты и долговечны, как выяснила его команда. Но они производят только небольшие токи — слишком маленькие, чтобы быть полезными. Исследователи решили эту проблему, создав большую сетку гелевых точек. Разделение этих точек между двумя листами позволяет гелю имитировать каналы и ионы угря.
В настоящее время исследователи изучают способы заставить орган работать еще лучше.
This is one in a series presenting news on технология и инновация , made possible with generous support from the Lemelson Foundation .
Силовые слова
Подробнее о сильных словах
приложение Особое использование или функция чего-либо.
биофизика Изучение физических сил, связанных с живыми существами. Люди, которые работают в этой области, известны как биофизики.
клетка Наименьшая структурная и функциональная единица организма. Обычно слишком маленький, чтобы увидеть его невооруженным глазом, он состоит из водянистой жидкости, окруженной мембраной или стенкой. В зависимости от размера животные состоят из тысяч или триллионов клеток. Большинство организмов, таких как дрожжи, плесень, бактерии и некоторые водоросли, состоят только из одной клетки.
текущий Жидкость — например, вода или воздух, — которая движется в узнаваемом направлении. (в электричестве) Поток электричества или количество заряда, проходящего через какой-либо материал за определенный период времени.
угорь Рыба со змееподобным телом и без чешуи.
Многие мигрируют из пресной воды в соленую, когда приходит время нереста.
электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.
электроцит Клетка, вырабатывающая электричество, у некоторых видов рыб, например у электрических угрей. Каждая клетка производит лишь небольшое количество электричества, поэтому эти клетки обычно сгруппированы в большие группы, чтобы животное могло произвести более сильный толчок.
окружающая среда Сумма всех вещей, которые существуют вокруг какого-либо организма или процесса, и условий, которые эти вещи создают. Окружающая среда может относиться к погоде и экосистеме, в которой живет какое-либо животное, или, возможно, к температуре и влажности (или даже к размещению компонентов в какой-либо электронной системе или продукте).
пресная вода Существительное или прилагательное, описывающее водоемы с очень низкой концентрацией соли.
Это тип воды, используемой для питья и подпитки большинства внутренних озер, прудов, рек и ручьев, а также грунтовых вод.
гель Клейкий или вязкий материал, который может течь как густая жидкость.
аспирант Кто-то, кто работает над получением ученой степени, посещая курсы и проводя исследования. Эта работа выполняется после того, как студент уже закончил колледж (обычно с четырехлетним дипломом).
сетка (в математике или картографировании) Сеть линий, которые пересекают друг друга через равные промежутки, образуя коробки или прямоугольники, или упорядоченное поле точек, которые отмечают, где каждая пара линий пересекается или пересекается друг с другом.
ion (прил. ионизированный) Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или приобретения одного или нескольких электронов. В ионизированном газе или плазме все электроны отделены от родительских атомов.
материаловедение Изучение того, как атомная и молекулярная структура материала связана с его общими свойствами. Материаловеды могут разрабатывать новые материалы или анализировать существующие. Их анализ общих свойств материала (таких как плотность, прочность и температура плавления) может помочь инженерам и другим исследователям выбрать материалы, которые лучше всего подходят для нового применения. Ученый, работающий в этой области, известен как материаловед .
мембрана Преграда, блокирующая прохождение (или прохождение) некоторых материалов в зависимости от их размера или других характеристик. Мембраны являются неотъемлемой частью систем фильтрации. Многие выполняют ту же функцию, что и внешнее покрытие клеток или органов тела.
мышца Тип ткани, используемой для обеспечения движения за счет сокращения ее клеток, известных как мышечные волокна.
Национальный институт стандартов и технологий ( NIST ) Исследовательское агентство правительства США, основанное в 1901 как Национальное бюро стандартов.
Его название было изменено на NIST в 1988 году. За прошедшие годы NIST стал крупным центром исследований в области физических наук. Одной из его постоянных функций является разработка новых и более точных способов измерения вещей, от времени и электричества до размеров атома и длин волн света. Имея предприятия в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, и Боулдер, штат Колорадо, в нем работает около 3400 человек.
орган (в биологии) Различные части организма, выполняющие одну или несколько определенных функций. Например, яичник — это орган, производящий яйца, мозг — это орган, воспринимающий нервные сигналы, а корни растения — это органы, которые поглощают питательные вещества и влагу.
кардиостимулятор Небольшое медицинское устройство, имплантированное в тело для контроля аномального сердечного ритма. Это устройство посылает электрический сигнал. Он стимулирует сердце биться с регулярной и здоровой скоростью.
частица Небольшое количество чего-то.
физика Научное изучение природы и свойств материи и энергии. Классическая физика — это объяснение природы и свойств материи и энергии, основанное на таких описаниях, как законы движения Ньютона. Ученый, который работает в таких областях, известен как физик .
добыча (сущ.) Виды животных, которых едят другие. (v.) Нападать и поедать другой вид.
возобновляемая энергия Энергия из источника, который не истощается в процессе использования, например гидроэнергия (вода), энергия ветра или солнечная энергия.
робот Машина, способная ощущать окружающую среду, обрабатывать информацию и реагировать на нее определенными действиями. Некоторые роботы могут действовать без участия человека, в то время как другие управляются человеком.
синтетический Прилагательное, описывающее нечто, что не возникло естественным образом, а было создано людьми.
Многие синтетические материалы были разработаны для замены натуральных материалов, таких как синтетический каучук, синтетический алмаз или синтетический гормон. Некоторые могут даже иметь химический состав и структуру, идентичные оригиналу.
прозрачный Пропускает свет, благодаря чему можно отчетливо видеть объекты позади.
напряжение Сила, связанная с электрическим током, измеряемая в единицах, известных как вольты. Энергетические компании используют высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.
Цитаты
Встреча: A. Guha et al. Искусственный электрический орган, вдохновленный угрем: 110 вольт от воды и соли. Ежегодное собрание биофизического общества 2018 г., 19 февраля 2018 г., Сан-Франциско, Калифорния, Biophysical Journal. Том. 114, стр. 192а, 2018.
Журнал: Т.Х.Б. Шредер и др. Источник мягкой энергии, вдохновленный электрическим угрем, из сложенных друг на друга гидрогелей.
Природа. Том. 552, 14 декабря 2017 г., с. 214. doi: 10.1038/nature24670.
Стивен Орнс живет в Нэшвилле, штат Теннеси, и в его семье есть два кролика, шесть кур и кошка. Он пишет для Science News Explores с 2008 года на такие темы, как молнии, дикие свиньи, большие пузыри и космический мусор.
Как электрические угри производят электричество?
Содержание
- Анатомия электрического угря – Электрический орган
- Как электрические угри вырабатывают электричество?
- Как электрические угри снимают электрический ток?
- Для чего рыбы используют свою электрическую энергию?
- Почему рыбы не бьют себя током?
- Рекомендуемая литература
Электрические рыбы производят электричество с помощью своих электрических органов. Эти электрические органы имеют модифицированные мышечные клетки, называемые электроцитами, которые производят электричество.
XVIII и XIX века были временем электрификации! Луиджи Гальвани открыл электричество животных, ударив током лягушку, чтобы посмотреть, будут ли ее мышцы дергаться (они дергались). Алессандро Вольта был занят созданием того, что впоследствии стало современной батареей. Александр фон Гумбольдт во всей своей эрудитной славе вообще сомневался в электричестве, как в животном, так и в металлическом, а Майкл Фарадей открывал связь между электричеством и магнетизмом.
Общая нить, пронизывающая работы этих джентльменов, — это электрический угорь.
На протяжении многих лет электрический угорь пугал бесчисленное количество лошадей, вдохновлял ученых и был предметом искусства и музыки.
Ученые недавно обнаружили, что эта обитающая на Амазонке рыба (название ее неправильное, так как на самом деле это разновидность рыбы, а точнее рыба-нож) на самом деле представляет собой три разных вида рыб: оригинальный Electrophorus electricus и два новых дополнения, E.
voltai, и E. varii. Итак, как эти рыбы производят напряжение до 860В ?
Электрический угорь — одна из самых наэлектризованных рыб, когда речь идет о силе удара. Недавно найденный E. volta может производить до 860 В электричества. Он живет в реках Амазонки и может вырасти до 8 футов в длину. (Фото: R. Maximiliane/Shutterstock)
Виды угрей
Электрические угри — не единственная рыба, которая может производить электричество. Есть множество рыб, которые производят электричество с разной мощностью. В целом существует два типа электрических рыб: слабоэлектрические рыбы и сильноэлектрические рыбы. Слабоэлектрические рыбы, такие как рыба-слононос Питера и черная рыба-призрак-нож, не производят достаточно электричества, чтобы что-либо ударить током, но они служат органом чувств, помогая им общаться и взаимодействовать с окружающей средой.
Рекомендуемое видео для вас:
com. Сильно электрические рыбы производят ударные волны, которые могут нанести вред. Электрический угорь, рыба-нож, принадлежащая к семейству Gymnotidae , является самой популярной из этих разновидностей. Электрический сом, электрический скат и электрический звездочёт — некоторые другие мощные зингеры. Эти рыбы используют свою электрическую энергию для целого ряда целей, от связи и электролокации до охоты или защиты.
Анатомия электрического угря. Электрический орган
Электрические рыбы производят электричество с помощью специального электрического органа. Электрический орган электрического угря, например, занимает примерно 2/3 тела рыбы, которое разделено на три разные части, каждая из которых производит электрический ток различной природы.
Главный орган и орган Хантера производят высокие дозы электрического тока, а орган Саха отвечает за низкое напряжение. Электрический скат имеет два больших электрических органа по обеим сторонам головы (у некоторых он может быть в хвосте), в то время как у слононосой рыбы Питера электрический орган находится рядом с хвостом.
Электрический скат имеет электрические органы по обеим сторонам головы. (Фото предоставлено Александром Гретцем/Wikimedia Commons)
Электроциты
Внутри органа находятся клетки, называемые электроцитами, расположенные стопкой столбцов, с несколькими столбцами, параллельными друг другу, с заполненными жидкостью промежутками между ними. Электроциты представляют собой модифицированные клетки мышечного (в большинстве случаев) или нервного происхождения. Эти клетки генерируют электрический удар угря. Количество электроцитов в колонке и количество колонок определяют, сколько электроэнергии может произвести рыба.
Как электрические угри генерируют электричество?
То, как электроциты производят электричество, увлекательно и весьма специфично. Электроциты имеют две стороны: заднюю, иннервируемую моторным нейроном, и переднюю, волнообразную и слегка складчатую. Его мембрана имеет множество крошечных белковых каналов, которые избирательно позволяют ионам натрия (Na+) и калия (K+) (каждый из них имеет разные каналы) поступать в клетку и выходить из нее.
Электроциты поддерживают положительную внешнюю и отрицательную внутреннюю (относительно) среду, откачивая ионы Na+ и K+. По инструкции нервной системы (переносимой к электроциту моторным нейроном) электроциты создают диполь.
Схематическое изображение того, как электроциты электрических рыб генерируют электрический ток.
Сигнал от мотонейрона заставляет ионные каналы на задней стороне закачивать Na+ и K+ в клетку, в то время как передняя сторона продолжает выкачивать положительные ионы из клетки. Это дает задней стороне клетки относительно положительный заряд (внутри клетки), а передней стороне — отрицательный заряд (внутри клетки). Вуаля, диполь создан и у рыбы есть электричество.
Один электроцит мало что может сделать сам по себе, но вместе они могут нанести удар. То, как расположены электроциты, также влияет на производимое ими электричество (независимо от того, предпочитает ли рыба более высокий ток над более высоким напряжением или наоборот). Электрический угорь, например, может иметь до 6000 электроцитов в одном столбце.
Электрический скат (вид Torpedo) имеет много более коротких столбцов с 1000 электроцитов на столбец, поскольку скат отдает приоритет увеличению тока по напряжению.
Как электрические угри снимают электрический ток?
Электрические рыбы могут излучать разряды электрических органов (ЭОР) импульсами или волнообразно (синусоидально). Кроме того, они могут производить постоянный ток (монофазный) или переменный ток (двухфазный).
Brachyhypopomus walteri, слабоэлектрическая рыба с длинным скользким хвостом и пятнистой оранжевой чешуей, производит импульсы переменного тока, которые при преобразовании в звук звучат как «хлопки». Его родственник B. bennetti вместо этого производит импульсы постоянного тока.
Электрические рыбы, производящие волны, являются слабоэлектрическими рыбами, так как постоянное производство EOD истощает энергию. Амплитуда их EOD не так высока, как у некоторых электрических рыб, излучающих импульсы, но их волновая структура позволяет их электрическим сигналам скрыться от обнаружения, поскольку большинство хищных рыб могут ощущать импульсы постоянного тока (например, хищный электрический угорь и электрический сом).
, в отличие от переменного тока.
Для чего рыбы используют свою электрическую энергию?
Большинство электрических рыб используют электричество в качестве сенсорного инструмента, подобно зрению, маленькому и осязательному. Для пресноводных рыб, таких как электрический сом и электрический угорь, которые живут в мутных темных водах Амазонки, электричество заменяет чувство, подобное зрению. Рыбы посылают электрическое поле (через свои EOD), а рецепторы на их мембранах собирают информацию об их окружении. Эти электрорецепторы (заметные у электрических угрей и электрических сомов в виде ямок на их коже) действуют как вольтметры, ощущая изменения электрического поля, вызванные их окружением, и определяя, может ли что-то быть обедом. В этом видео показана рыба-нож, использующая электропорацию.
Слононосая рыба Питера (Gnathonemus petersii) — слабоэлектрическая рыба, которая использует свой электрический орган в качестве сенсорного устройства, позволяющего ей «видеть» свое окружение.
Это называется электролокацией. (Фото: boban_nz/Shutterstock)
Иногда две электрические рыбы с одинаковой частотой разряда сталкиваются друг с другом, вызывая перекрытие их электрических полей. Чтобы предотвратить помехи, вызванные двумя сигналами, электрические рыбы придумали умный механизм, называемый механизмом предотвращения помех.
Механизм предотвращения заклинивания заключается в том, что две рыбы меняют частоту разряда в сторону от своих соседей. Они собирают информацию на основе EOD другой рыбы, а затем соответствующим образом изменяют свою собственную. Нейробиологи были очарованы тем, как электрические рыбы способны быстро реагировать на окружающую среду, чтобы изменить свое электрическое поле.
Сильно электрические рыбы, с другой стороны, охотятся с их ударной силой.
Недавно обнаруженный E. volta может производить электричество мощностью до 860 В, чего достаточно, чтобы измотать мелкую добычу и нанести легкому, но поразительному удару более крупному млекопитающему.
Стратегия охоты электрического угря особенно интересна.
Он посылает импульсы сильного EOD, чтобы вывести из равновесия нервную систему жертвы. После первоначального залпа импульсов он возвращается с более сильным EOD, чтобы «нокаутировать» свою жертву. Кеннет Катания, исследователь из Университета Вандербильта, обнаружил, что электрические угри скручиваются вокруг своей добычи, чтобы полностью парализовать ее. Эта стратегия позволяет угрю максимизировать воздействие шока.
Голова электрического угря положительна по сравнению с его хвостом, который более отрицателен. Рыба имеет такую дипольную природу из-за направления потока положительного заряда через ее электрический орган. Он помещает свою положительно заряженную голову на один конец жертвы и отрицательно заряженный хвост на другой конец, а затем посылает ударные волны. Как только работа сделана, угорь проглатывает свою добычу целиком!
Почему рыбы не бьют себя током?
Электрический орган сильноэлектрической рыбы покрыт жировой и соединительной тканью.
Когда рыба снимает шок, эти ткани изолируют рыбу от ее собственной наступательной тактики. Также было обнаружено, что у электрических рыб экспрессируются схожие гены, которые могут обеспечить рыбе некоторую изоляцию.
Размер тоже играет роль. Большинство хищных сильноэлектрических рыб намного крупнее своей добычи. Некоторые электрические угри могут достигать размеров до 8 футов. Их течение поджарит их меньшую добычу, но не сильно повлияет на их более крупные тела, так же, как это не окажет серьезного воздействия на взрослого человека.
Электрический звездочет, сильно электрическая рыба (Фото предоставлено Canvasman21/Wikimedia Commons)
При этом электрические рыбы не полностью защищены от ударов. Многие замечали, что электрические рыбы дергаются, особенно когда их вынимают из воды. Это может быть связано с тем, что воздух не позволяет заряду рассеиваться из рыбы так же быстро, как вода (особенно соленая морская вода).
Ученые прошлого не единственные, кого вдохновляет то, как природе удалось использовать электричество.