Сила живого электричества

Опубликовано: 13 июня 2015 г. в 08:03, 69 просмотровКомментировать

Его добыча быстра и хитра, она — мастер маскировки и умеет быть не заметной, когда это необходимо, вместе со способностью стремительно скрываться, неожиданно появляясь снова. Но все-таки она уязвима перед хищником, главное оружие которого бьет наповал, предопределяя исход встречи. Жертва бессильна, так как ей нечего противопоставить силе живого электричества...

Сила, которая заставляет «цепенеть»

Нет-нет, мы не начинаем рубрику о кино, и то, что вы сейчас прочитали, не является трейлером к новому голливудскому блокбастеру. Эта борьба ежедневно, ежечасно происходит в подводном мире нашей планеты, а одни из ее участников — электрические рыбы. Из всех обитателей Земли только некоторые виды рыб могут произвести такое количество электричества, чтобы парализовать и даже убить человека.

Ученые считают, что эти животные обитают на земле уже миллионы лет — до сих пор находят их окаменелости. Электрическую природу этих животных разгадали вскоре после открытия электричества, до этого же эту способность описывали и называли по-разному. К примеру, Аристотель, описывая ската «Торпедо», предполагал, что тот «заставлял цепенеть» свою добычу, «пересиливая силой удара, живущего в его теле». Истории также известны факты, когда врачеватели Древнего Рима пытались лечить своих пациентов ударами тока электрического ската. А египтяне оставляли на надгробьях изображения африканского сома.

Конечно, способность вырабатывать электрический ток помогает рыбам не только охотиться, но и защищаться от хищников, находящихся выше них самих в этой пищевой цепи — от акул и осьмингов, — использовать электрические импульсы для беспрепятственного преодоления пространства в морской бездне и даже как средство коммуникации с собратьями. Давно известно, что только некоторые виды рыб имеют ярко выраженные электрические свойства. Однако ученые полагают, что любая рыба в той или иной степени обладает электрочувствительностью и создает вокруг себя электрические поля. При сближении ее с каким-либо предметом это поле искажается, и сигналы об этом поступают на особые чувствительные электрорецепторы рыбы. Ее мозг, получивший информацию от рецепторов, «дает представление» рыбе о признаках приближающегося предмета: форме, скорости, размере. Используют они эту информацию для ориентирования под водой, для синхронного передвижения в косяке, для удачного нереста и т.п.

Но рыб, обладающих именно такими органами, которые генерируют разряды различного по силе напряжения, ихтиологам известно более 300 видов. Большинство из них обладает слабой способностью вырабатывать электрический ток, но некоторые в действительности опасны не только для морских обитателей, но и для человека. Попавшие в рыболовные сети скаты могут ударить током, прошедшим по влажным нитям, даже рыбака. Из-за этого, кстати, древние египтяне называли электрических скатов или сомов защитниками рыб, так как рыбаку, получавшему такой удар, не удавалось удержать в руках свой улов, и он вновь возвращался в море.

До сих пор ихтиологам попадаются «уловы» новых видов электрических рыб. Так, в 2013-м была раскрыта еще одна морская тайна — в реке Амазонке обнаружены два новых вида, которые назвали Brachyhypopomus walteri и Brachyhypopomus bennetti, «народное» название «тупоносая рыба-нож». Рыба-нож вырабатывает слабый ток, который не идет в сравнение со способностями, например, того же электрического ската. Она-то как раз и использует свои электрические способности для ориентирования в мутных амазонских водах.

Среди рыб с сильными генерирующими способностями выделяются электрические угри (обладает электрической способностью в 50- 650 В), электрические сомы (300-400 В), электрические скаты (разные виды «выдают» от 50 до 200 В). Ареалом обитания первых двух рыб являются пресные воды Южной Америки (Амазонка, Ориноко); Западной и Центральной Африки, и лишь скат — морской обитатель — живет в Атлантическом океане, в Средиземном и Красном морях.

Самым кровожадным среди них, пожалуй, можно назвать электрического угря (или иначе — молниевый): с его «аппетитом» не может даже сравниться хищная пиранья, к тому же он находится на вершине пищевой цепи, и поэтому практически не имеет врагов. Эта рыбка вырастает до 40 кг по весу и до 3 м в длину.

Все дело в генетике

Полюса «плюс» и «минус» у электрического угря находятся у головы и хвоста соответственно. Отвечает за выдачу разряда специальный орган, покрывающий поверхность тела электрических рыб: это студнеподобная ткань с соединительными перегородками, которая состоит из специальных клеток-производителей электричества — электроцитами.

Вырабатывание ими электричества — это сложный электрохимический процесс.

Недавно группа исследователей из США во главе с профессором-биохимиком из Висконсинского университета в Мадисоне Майклом Суссманом подошла совсем вплотную к раскрытию тайны этого чуда природы. Это открытие основано на генетических исследованиях, опубликовал его американский академический журнал «Science».

Ученые пришли к выводу, что, несмотря на отсутствие «родственных» связей у разных электрических рыб, их специальные электрические органы имеют генетические сходства. Развитию этих «особых», очень похожих, органов у совершенно разных видов электрических рыб способствовали одни и те же гены. «Конвергенция», — сказал бы Ч. Дарвин. Иными словами, развитие одних и тех же признаков в одних и тех же условиях у совершенно разных групп животных.

А когда-то итальянский врач Луиджи Гальвани, праотец электробиологии, начавший в 1780 году заниматься изучением работы мышц и нервов, увлеченно испытывал с этой целью лягушачьи лапки. Образно говоря, конечности земноводных помогли врачу-естествоиспытателю выяснить, что мышцы живых существ тоже имеют электрический потенциал. Окончательно в существовании «животного электричества» Гальвани убедили эксперименты с электрическим скатом (которого, кстати говоря, до этого электрическим никто не называл, не зная о природе его способностей). Итогом его научных исследований стал труд «Трактаты о силе электричества при мышечном движении», который перевернул представление мыслителей эпохи Просвещения о природе электричества.

Движение — жизнь

Применяя терминологию Гальвани, можно сказать о том, что «живое электричество» (электрическое напряжение) появляется при любом, даже несущественном, сокращении мышц, а вернее, именно оно, побуждаемое нервными импульсами, заставляет мышечные клетки сокращаться. Так вот, под влиянием недавно открытого генома в процессе эволюции у рыб разных видов в сходных условиях и в разном хронологическом порядке мышечные клетки потеряли способность сокращаться (не потеряв при этом электрическую природу) и «превратились» в электроциты — клетки, которые вырабатывают электрический ток. Этими клетками испещрено тело электрического угря — их насчитывают до полумиллиона. Электроциты «уложены» столбиками, по 6000 клеток в каждом. Таких столбиков у электрического угря, например, 70. Подобное «столбчатое» строение значительно усиливает напряжение тока рыбы.

В спокойном состоянии клетка имеет отрицательный потенциал: внутри нее находятся отрицательно заряженные ионы, а снаружи и отрицательные, и положительные. Ионы NaCI имеют положительный заряд, и они стремительно устремляются сквозь оболочку клетки вовнутрь нее, когда получают сигнал от нервной системы.

Во внешней оболочке любой клетки (мембраны) содержатся белки, которые являются связующими каналами между внутренней средой клетки и внешней (межклеточным пространством). Именно эти каналы обеспечивают переход ионов NaCI из межклеточного пространства в клетку, вследствие чего возникает разность потенциалов внутри и снаружи ее. Это заставляет мембрану открывать дополнительные каналы, и новая «порция» ионов переходит внутрь, в результате чего создается электрический импульс. Мышечную клетку, как упоминалось выше, он стимулирует работать, то есть сокращаться, но вот в мембране электроцита перераспределение белков иное, чем в мышечной — это позволяет ионам мощным потоком устремляться через мембрану, концентрируя внутри клетки избыточный положительный заряд.

Разность потенциалов внутри и снаружи клетки создает в прямом смысле потрясающий разряд, который, как уже говорилось, усиливают и особое «столбчатое» строение клеток, и их количество.

Кто кого

После выдачи порции заряда электрическому органу рыбы необходимо некоторое время на «подзарядку». Этой передышкой пользуются обычно рыбаки, чтобы выловить опасный деликатес — электрического угря, который пользуется большим спросом в Южной Африке. Аборигены Амазонки, например, для этого загоняют в реку стадо коров, взбешенные рыбы тут же начинают тратить на буренок свой заряд, неприятный, но не убийственный для них, а рыбаки затем беспрепятственно собирают улов острогами. Нужно отметить, что активная генерация одного угря привлекает сородичей, так, на свою погибель, приплывают новые и новые охотники поживиться. Таким же способом местные переправляются вброд через реку: перед собой запускают, например, лошадь, а сами идут следом, обезопасив себя, таким образом, от удара током.

А отчаянные водолазы охотятся на электрических скатов для зоопарков и океанариумов, пока те мирно дремлют. Для этого дайверы экипируются в герметичный водолазный костюм сухого типа и латексные диэлектрические перчатки.

О личной жизни электрического угря известно очень мало. Никто до сих пор достоверно не знает, как же он размножается, потому что это очень скрытное и осторожное животное. На время нереста он удаляется в глубь своих мутных вод, а возвращается уже с молодым поколением. Некоторые наблюдения говорят о том, что во время брачного периода между самцами происходит своеобразная дуэль. Понятно, что в ней побеждает тот, кто выдает наибольший разряд.

Как приручить зверя

Хотя древний способ исцеления от боли при помощи электрических рыб у современников не находит отклика, ученые все же озадачиваются вопросом, как применить знания о живых генераторах в медицине. Американские изобретатели Цзянь Сюй и Дэвид Лаван, например, «разобрали до молекулы» молниевого угря, чтобы воссоздать прототип его электрической клетки. Получили сложную численную модель, демонстрирующую перемещение ионов через стенки клеток. Конечная цель ученых — медицинские имплантаты, которые смогут запитываться самостоятельно в организме, без внешнего источника зарядки. Оптимизированная модель представляет собой куб 4x4x4 мм из электроцитов, который способен выдавать 300 микроватт, Создатели утверждают, что их искусственный аналог не только повторяет природные электрической клетки угря, но даже превосходит по эффективности. Искусственная электрическая клетка пока не сможет решать глобальных энергетических проблем, но для работы в микроскопических устройствах вполне подойдет.

Способности электрической рыбы в неволе используют и для устроения шоу или необычного зрелища. Так, в одном из японских городов перед зрителями на Рождество предстала елка, лампочки которой загорались благодаря энергии аквариумного электрического угря. По дну аквариума был проложен медный кабель, при каждом касании о который угорь невольно зажигал огни.

Подробное изучение механизма действия того или иного чуда природы открывает широкие возможности перед учеными всего мира. Несомненно, одним из самых важных направлений, где люди хотели бы научиться управлять свойствами электрических рыб, является медицина. Открытия, связанные с живым электричеством, сослужили добрую службу в совершенствовании фармакологической промышленности, а в будущем откроют дополнительные возможности для создания новых источников энергии. Нельзя об этом сказать лучше, чем словами английского физика-естествоиспытателя Майкла Фарадея: «Как ни удивительны электрические явления, присущие неорганической материи, они не идут ни в какое сравнение с теми, которые связаны с деятельностью нервной системы и жизненными процессами».

Анастасия КРАВЕЦ

Информация о компании

Элек.ру, ООО
Компания «Элек.ру» — команда профессионалов, обеспечивающих эффективную работу и развитие крупнейших рекламно-информационных проектов электротехнической отрасли: Интернет-портала Elec.ru и журнала «Электротехнический рынок».

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.