Расскажите об электрических рыбах. Какой величины ток они вырабатывают?
Электрический сом.
Электрический угорь.
Электрический скат.
В. Кумушкин (г. Петрозаводск).
Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю, живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы - преобразованные мышцы - располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус - в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей - до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.
В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба - электрический сом. Размеры его поменьше - от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.
Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.
Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты. Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу (других рыб) разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.
Помимо электрических зарядов большой силы рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы и гимнархи, обитающие в мутных водах рек, озер и болот Африки.
Вообще же, как показали экспериментальные исследования, практически все рыбы, и морские, и пресноводные, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.
Микроскопические биоинженерные генераторы однажды смогут запитывать медицинские имплантаты, получая топливо прямо из организма, без потребности во внешней зарядке. Такова далёкая перспектива удивительной работы американских учёных, вознамерившихся скопировать и даже улучшить работу электрических клеток пресноводных рыб – угрей.
Ну разве это не чудо природы? Так почему бы не поучиться у него? И правда, про биомиметику слышали, наверное, все, а вот про биомиметику на клеточном и даже молекулярном уровне – едва ли.
Между тем именно такую задачу – разобрать по молекулам и скопировать работу электрических клеток угря – поставили перед собой Цзянь Сюй (Jian Xu) из Йельского университета (Yale University) и Дэвид Лаван (David LaVan) из американского Национального института стандартов и технологий (NIST).
Эти исследователи разработали сложные численные модели перемещения ионов через клеточные структуры и сравнили их с ранее полученными данными об электрических клетках.
А далее учёные разработали модели искусственных клеток, позволяющие улучшить выходные параметры, против природного аналога. В частности, один из таких проектов сулит рост пиковой мощности на 40%, а второй – на 28%.
(Этому исследованию посвящена в журнале Nature Nanotechnology.)
Первая картинка показывает анатомию электрического органа угря, то есть наборы электроцитов, клеток, связанных последовательно (чтобы поднять суммарное напряжение) и параллельно (чтобы увеличить ток). На второй картинке – отдельная клетка с ионными каналами и насосами, проникающими сквозь мембрану (новая модель Йеля и NIST как раз изучала поведение нескольких таких клеток). Заключительный рисунок демонстрирует отдельный ионный канал – стандартный блок модели (иллюстрация Daniel Zukowski/Yale University).
Лаван поясняет, что механизм создания напряжения клетками электрических органов угря схож со схемой посылки нервных сигналов в мозге. Только нервные клетки способны на генерацию очень маленького напряжения (зато – они создают его быстро), в то время как специальные электрические обладают более длительным циклом работы, зато накапливают куда более внушительное напряжение.
Соответственно, подбирая по определённым законам ионные проводники и формируя из них системы нанометрового масштаба, можно создать искусственные аналоги электрических клеток, которые за счёт оптимизации параметров превзойдут свои живые прообразы по эффективности.
Данное исследование является частью усилий американского Национального центра дизайна биомиметических нанопроводников (National Center for the Design of Biomimetic Nanoconductors), направленных на создание крошечных систем, как ясно из названия, по образу и подобию природных аналогов.
Один из примеров наногенераторов, разрабатываемых в Biomimetic Nanoconductors. Специально сконструированная липидная мембрана на тонкой пористой подложке из кварца или полимера. Внизу: компьютерные модели молекулярных комплексов, обеспечивающих требуемую ионную проводимость (иллюстрации с сайта nanoconductor.org).
Упомянутые системы самых разных видов должны вырабатывать электрическую энергию, производить электрические или электрохимические сигналы или создавать осмотические давление и потоки внутри микроскопических устройств.
Заметим, саму идею «взять угря да превратить его в живую электростанцию на благо человечества» изобретатели предлагали не раз. И даже курьёзные опыты ставили. Скажем, мы видели, что угорь способен питать лампочки на рождественской ёлке.
Но нельзя же всерьёз полагать, что колонии запертых в аквариумах несчастных угрей помогут нам решить энергетическую проблему? Уж лучше получать электричество из шоколада или сточных вод при помощи бактерий.
Цзянь Сюй изучает самые различные системы, в которых используются биологические составляющие и может генерироваться напряжение. Как эти две соприкасающиеся капли с различными растворами внутри, покрытые липидными мембранами, – примитивный прообраз биобатареи (фото с сайта pantheon.yale.edu).
Однако что-то в этой мысли (про угрей) — есть. Скопировав их «боевые» клетки, можно создать крошечные генераторы для нетребовательных к мощности имплантатов или иных небольших устройств. Так рассуждают Сюй и Лаван.
И опасная, обитает в неглубоких мутных реках северо-восточной части южноамериканского континента. К обыкновенным угрям он никакого отношения не имеет, являясь гимнотообразной рыбой. Главная его особенность - умение генерировать электрические заряды различной силы и назначения, а также обнаруживать электрические поля.
Среда обитания
За тысячелетия эволюции электрические угри приспособились к выживанию в крайне неблагоприятных условиях заросших и заиленных водоемов. Привычная для него среда обитания - стоячая, теплая и мутная пресная вода с большим дефицитом кислорода.
Дышит угорь атмосферным воздухом, поэтому каждые четверть часа или чаще он поднимается к поверхности воды для захватывания порции воздуха. Если лишить его этой возможности, он задохнется. Зато без какого-либо вреда угорь может обходиться без воды на протяжении нескольких часов, если его тело и ротовая полость будут увлажнены.
Описание
У электрического угря удлиненное тело, немного сжатое с боков и сзади, округлое спереди. Окрас взрослых особей - зеленовато-коричневый. Горло и нижняя часть приплюснутой головы - ярко-оранжевого цвета. Характерная черта - отсутствие чешуи, кожа покрыта слизью.
Вырастает рыба в среднем до 1,5 м в длину и весит до 20 кг, но встречаются и трехметровые экземпляры. Отсутствие брюшного и спинного плавника усиливает сходство угря со змеей. Перемещается он волнообразными движениями при помощи крупного анального плавника. В равной мере легко может передвигаться вверх-вниз, вперед-назад. Грудные плавники небольшого размера при движении выполняют функцию стабилизаторов.
Ведет одиночный образ жизни. Большую часть времени проводит у дна реки, застыв среди зарослей водорослей. Бодрствуют и охотятся угри в ночное время. Питаются в основном мелкой рыбой, земноводными, ракообразными, а если повезет, птицами и мелкими животными. Жертву проглатывают целиком.
Уникальная особенность
На самом деле умение создавать электричество не является какой-то необыкновенной особенностью. Любой живой организм может это делать в некоторой степени. К примеру, наш мозг управляет мышцами при помощи электрических сигналов. Угорь продуцирует электричество точно так же, как мышцы и нервы в нашем организме. Клетки электроциты накапливают заряд энергии, извлекаемой из пищи. Синхронное генерирование ими потенциалов действия приводит к образованию коротких электрических разрядов. В результате суммирования тысяч крохотных зарядов, накопленных каждой клеточкой, создается напряжение до 650 В.
Угорь испускает электрические заряды различной мощности и назначения: импульсы защиты, лова, покоя и поиска.
В спокойном состоянии он лежит на дне и не генерирует никаких электрических сигналов. Проголодавшись, начинает медленно плавать, испуская импульсы напряжением до 50 В с примерной длительностью 2 мс.
Обнаружив добычу, резко увеличивает их частоту и амплитуду: напряженность возрастает до 300-600 В, продолжительность - 0,6-2 мс. Серия импульсов состоит из 50-400 разрядов. Посылаемые электрические разряды парализуют жертву. Для оглушения мелкой рыбы, которой угорь в основном и питается, он применяет высокочастотные импульсы. Паузы между разрядами использует для восстановления энергии.
Когда обездвиженная жертва опускается на дно, угорь спокойно к ней подплывает и проглатывает целиком, а затем отдыхает некоторое время, переваривая пищу.
Защищаясь от врагов, угорь испускает серию редких высокого напряжения импульсов в количестве от 2 до 7, и 3 небольшой амплитуды поисковых.
Электролокация
Электрические органы угрей служат не только для охоты и защиты. Слабые разряды мощностью до 10 В они используют для электролокации. Зрение у этих рыб слабое, а к старости еще больше ухудшается. Информацию об окружающем мире они получают от электрических сенсоров, расположенных по всему телу. На фото электрического угря его рецепторы отчетливо видны.
Вокруг плывущего угря пульсирует электрическое поле. Как только в сфере действия поля оказывается какой-либо предмет, например рыба, растение, камень, изменяется форма поля.
Улавливая специальными рецепторами искажения создаваемого им электрического поля, он находит в мутной воде путь и прячущуюся добычу. Такая сверхчувствительность дает электрическому угрю преимущество перед другими видами рыб и животных, которые полагаются на зрение, обоняние, слух, осязание, вкус.
Электрические органы угрей
Генерирование разрядов различной мощности производится органами разных типов, занимающих почти 4/5 длины рыбы. В передней части его тела находится положительный полюс "батареи", в районе хвоста - отрицательный. Органы Мена и Хантера продуцируют импульсы высокого напряжения. Разряды для осуществления коммуникационной и навигационной функций генерируются органом Сакса, расположенным в хвосте. Расстояние, на котором особи могут общаться между собой, составляет около 7 метров. Для этого они испускают серию разрядов определенного типа.
Наибольший угрей, зафиксированный у содержащихся в аквариумах рыб, достигал 650 В. У рыб метровой длины он составляет не более 350 В. Такой мощности достаточно, чтобы зажечь пять электролампочек.
Как угри защищаются от поражения электричеством
Генерируемое во время охоты электрическим угрем напряжение достигает 300-600 В. Оно смертельно для мелких обитателей наподобие крабов, рыб и лягушек. А крупные животные, такие как кайманы, тапиры и взрослые анаконды, предпочитают держаться подальше от опасных мест. Почему электрические угри не поражают током сами себя?
Жизненно важные органы и сердце) расположены близко к голове и защищены жировой тканью, которая выполняет функцию изолятора. Такие же изоляционные свойства имеет его кожа. Замечено, что при повреждении кожи повышается уязвимость рыб к ударам электротоком.
Зафиксирован еще один интересный факт. Во время спаривания угри генерируют очень мощные разряды, но повреждений партнеру они не причиняют. Разряд такой мощности, произведенный в обычных условиях, а не в период спаривания, может убить другую особь. Это свидетельствует о том, что угри обладают способностью включать и выключать систему защиты от поражения электротоком.
Размножение
Угри нерестятся с наступлением сухого сезона. Самцы и самки находят друг друга, посылая в воде импульсы. Самец строит из слюны хорошо скрытое гнездо, куда самка откладывает до 1700 икринок. Оба родителя заботятся о потомстве.
Кожа мальков светлого охристого оттенка, иногда с мраморными разводами. Первые вылупившиеся мальки начинают поедать остальную икру. Питаются мелкими беспозвоночными.
Электрические органы у мальков начинают развиваться после рождения, когда длина их тела достигает 4 см. Маленькие личинки способны генерировать электроток в несколько десятков милливольт. Если взять в руки малька, которому всего несколько дней от роду, можно почувствовать покалывания от электрических разрядов.
Выросшая до 10-12 см длины молодь начинает вести самостоятельный образ жизни.
Электрические угри неплохо чувствуют себя в неволе. Продолжительность жизни самцов составляет 10-15 лет, самок - до 22. Сколько они живут в природной среде - достоверно неизвестно.
Аквариум для содержания этих рыб должен быть не менее 3 м длиной и 1,5-2 м глубиной. Воду в нем часто менять не рекомендуется. Это приводит к появлению язв на теле рыб и их гибели. Слизь, покрывающая кожу угрей, содержит антибиотик, предотвращающий появление язв, а частая смена воды, по-видимому, приводит к снижению его концентрации.
По отношению к представителям своего вида угорь, при отсутствии полового влечения, проявляет агрессию, поэтому содержать в аквариуме можно только одну особь. Температуру воды поддерживают на уровне 25 градусов и выше, жесткость - 11-13 градусов, кислотность - 7-8 рН.
Опасен ли угорь для человека
Какой электрический угорь особенно опасен для людей? Нужно отметить, что для человека встреча с ним не смертельна, но может привести к потере сознания. Электрический разряд угря приводит к сокращению и болезненному онемению мышц. Неприятное ощущение может длиться несколько часов. У более крупных особей сила тока больше, и последствия от поражения разрядом будут плачевнее.
Эта хищная рыба нападает без предупреждения даже на более крупного соперника. Если какой-то объект попадает в радиус действия его электрического поля, он не уплывает и не прячется, предпочитая напасть первым. Поэтому приближаться к метровому угрю ближе, чем на 3 метра, ни в коем случае нельзя.
Хотя рыба является деликатесом, ловля ее смертельно опасна. Местные жители изобрели оригинальный способ вылавливания электрических угрей. Для этого они используют коров, которые неплохо переносят удары электрических разрядов. Рыболовы загоняют стадо животных в воду и ждут, когда коровы прекращают испуганно мычать и метаться. После этого их выгоняют на сушу, и начинают сетями вылавливать уже безвредных угрей. Электрические угри не могут бесконечно генерировать ток, и разряды постепенно становятся слабее и вовсе прекращаются.
Многим читателям сайта про животных сайт известно, что существуют рыбы, имеющие возможность бить электрическим током (в прямом смысле), но отнюдь не все знают, каким образом это осуществляется. Предлагаем рассмотреть двух наиболее знаменитых морских представителей, которые вырабатывают ток: электрического ската и электрического угря. Вы узнаете:
- опасен ли для человека ток этих электрических рыб;
- как устроены органы, вырабатывающие электричество у ската и угря;
- как охотятся и ловят добычу скат и угорь;
- как живые рыбы связаны с праздником Нового года.
Электрический скат - живая аккумуляторная батарея
Электрические скаты в основном некрупные - от 50 до 60 см, однако есть такие особи, которые достигают в длину 2 м. Некрупные представители этих рыб создают незначительный электрический заряд, а в свою очередь большие скаты осуществляют разряды по 300 вольт. Органы особи, производящие ток, составляют 1/6 часть туловища и очень развиты. Они находятся с обоих боков – занимают место между плавником груди и головной частью, и рассмотреть их можно со спинной и брюшной части.
Внутренние органы рыбы, производящие электричество, имеют следующее строение. Некоторое количество столбиков, которые составляют электрические пластины и низ пластины, как и всего органа, носит отрицательный заряд, а верх заряжен положительно.
Во время охоты скат поражает добычу, обхватив ее плавниками, где находятся органы, производящие электричество. В течение этого процесса осуществляется электрический заряд, и добыча погибает от удара электричеством. Скат имеет сходство с аккумуляторной батареей . Если он использует заряд целиком, то ему понадобится несколько но то, чтобы вновь "зарядиться".
Скат без заряда безопасен, тем не менее, ежели он имеет заряд, тогда человек может серьезно пострадать от сильного электрического разряда . Происшествий с летальным исходом не выявлено, хотя у того, кто дотронулся до ската, может понизиться давление, произойти нарушения сердечного ритма, а также могут появиться спазмы, а в пораженной зоне появляется отечность местных тканей. Скат малоактивен и в основном живет на дне, поэтому, чтобы не повстречать его в водной среде, необходимо проявить внимание, находясь на мелководье.
Во времена Древного Рима, наоборот, электрические разряды признавались (и признаются сейчас в медицине) оздоровительными . Считалось, что электрический разряд мог снять головную боль и облегчить подагру. Даже сегодня на берегах средиземноморья люди в возрасте целенаправленно ходят босоногими по мелкой воде, чтобы с помощью ударов током облегчить ревматизм и подагру.
Электрический угорь зажег гирлянды на новогодней елке
А теперь заметка хотя и про рыб, но касается такого праздника, как Новый год! Казалось бы, как сочетается живая рыба и новогодняя елка? А вот как. Читайте далее.
Большинство представителей из группы электрического угря длиной от 1 до 1,5 м, но существуют виды, которые достигают трех метров. У таких особей сила удара достигает 650 вольт. Люди, пораженные ударом тока в воде, могут потерять сознание и утонуть. Электрический угорь является одним из наиболее опасных представителей реки Амазонки. Угорь приблизительно раз в 2 минуты всплывает, чтобы наполнить легкие воздухом. Он очень агрессивен. Если приблизиться к угрю на дистанцию менее трех метров, то он предпочитает не укрываться, а сразу атаковать. Следовательно, людям, которые близко увидели угря, должны поскорее уплыть как можно дальше.
Органы угря, отвечающие за ток, обладают аналогичным строением с органами ската , но имеют иное расположение. Они представляют два удлиненных ростка, имеющие продолговатый вид и составляют 4/5 тела угря в целом и имеют массу, занимающий практически 1/3 веса туловища. Передняя часть угря носит положительный заряд, а задняя, соответственно, отрицательный. У угрей к старости снижается зрение, именно из-за этого свою жертву они поражают, испуская слабые удары током. Угорь не нападает на добычу, ему достаточно мощного заряда, чтобы все некрупные рыбы погибли от удара током. Угорь приближается к своей добыче, когда она уже мертва, схватывает ее за голову, а затем проглатывает.
Угря нередко можно увидеть в аквариуме, так как они сравнительно быстро привыкают к искусственным условиям. Конечно, держать дома такую рыбу - это потруднее, чем . Для того, чтобы экспонировать их возможности, к резервуару крепят лампу и опускают провода в воду. Во время кормежки свет загорается. В Японии в 2010 году был проведен опыт: рождественская елка была освещена с использование тока, исходящего от угря, который находился в особой емкости и выбрасывал ток. Даже угорь и его электроток может быть полезным, если направить уникальные природные способности этой рыбы в нужное русло.
Анатомия электрического угря. Можно видеть набор клеток, организованных в параллельные структуры, создающие напряжение и ток. На следующем фрагменте приведена отдельная клетка с ионными каналами, пронизывающими ее мембрану. Наконец, показан отдельный белковый ионный канал
Электрический угорь в аквариуме
Электрические угри способны направлять совокупную энергию, которую вырабатывают тысячи генерирующих клеток, создавая потенциал в 600 В. Механизм получения энергии схож с тем, что передает электрические сигналы в наших нейронах: химический сигнал стимулирует работу селективных «насосов» — ионных каналов в клеточной мембране, которые перекачивают одни ионы (натрия) внутрь клетки, а другие (калия) — наружу. Поток заряженных ионов создает разницу потенциалов внутри клетки и вне ее, стимулируя работу массы других каналов: начиная с определенной точки процесс становится автокаталитическим, что приводит к тому, что сигнал распространяется вдоль мембраны длинного отростка нейрона.
В целом, по словам ЛаВана, известно не менее 7 разных видов ионных каналов, каждый из которых обладает слегка отличными характеристиками и распределением на клеточной мембраны. Нервные клетки содержат больше одних, задача которых не в создании максимального напряжения, а в быстрой передаче сигнала. Генерирующие электричество клетки некоторых животных (электроциты) работают не в пример медленней, зато выдают на-гора намного больший заряд.
Чтобы понять принципы их работы, ЛаВан с коллегами разработал цифровую модель, отражающую связь градиента концентрации ионов с электрическим импульсом и протестировал ее на примере нервных клеток и электроцитов. Затем они рассмотрели различные пути оптимизации системы — использование разных типов ионных каналов — с тем, чтобы добиться максимальной производительности энергии.
Их расчеты показали, что возможны действительно существенные улучшения. Один из вариантов «искусственной клетки» способен создать импульс на 40% более мощный, чем клетки живых угрей, другой вариант — на 28%.
Теперь ученые рассматривают возможности практического создания «батарей» из таких клеток, заключенных в куб стороной около 4 мм и способных генерировать до 300 мкВт энергии, чего вполне достаточно для питания небольших медицинских имплантатов. «Топливом» для них могут служить молекулы АТФ — те же, что и в живых организмов. По мнению ЛаВана, АТФ смогут вырабатывать из имеющегося в организме сахара модифицированные бактерии или митохондрии, прицепленные к этой «батарейке». Хорошо и то, что отдельные компоненты подобных искусственных клеток ученые уже умеют получать в лаборатории — и изолирующие мембраны, и ионные каналы.
Если же вы, все-таки, предпочитаете использовать угрей по старинке — например, приготовить с ними суши — то обратите внимание на наши советы по выбору подходящих ножей — настоящих японских: «
