Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Как и у электрического угря нервные окончания расположены только на нижней поверхности пластинок ската. На этой модифицированной мышечной мембране находится так много ацетилхолиновых рецепторов, что они образуют полукристаллическую решетку. По существу это один гигантский синапс. Возбуждение нерва, управляющего электрическим органом, приводит к выбросу нейромедиатора — ацетилхолина (см. главу 4), который открывает ацетилхолиновые рецепторы в нижней мембране электрической пластинки и создает разность потенциалов порядка 100 мВ между двумя сторонами клетки. Это заметно меньше, чем в пластинках электрического угря. Однако главной причиной, по которой скат генерирует более низкое напряжение, является меньшее число клеток в столбике. Генерирование электрического разряда требует много энергии, поэтому разряд не может быть продолжительным. Как и электрический угорь, скат испускает серию импульсов (около 100 в секунду), а каждый разряд длится всего несколько миллисекунд. Почему скат не поражает током себя?
Почему электрический скат (да и электрический угорь тоже) не оглушает током себя, остается загадкой, которая полностью не разгадана до сих пор. Ток течет от одного конца столбика электрических пластинок к другому, а затем через ткани и кожу в воду. Из-за того, что электрические органы находятся в крыльях, ток не проходит напрямую через сердце и мозг ската. Кроме того, ток, текущий через любую часть тела рыбы, невелик, поскольку каждый столбик электрических пластинок вносит очень небольшой вклад. Жертва тем не менее получает сильный удар в силу того, что слабые токи отдельных столбиков суммируются и в воде возникает намного более значительный ток. Считается, что прослойки жира в коже действуют подобно изоляторам и защищают рыбу от поражения током самой себя. Если кожу оцарапать или повредить (что снижает эффективность этой изоляции), то электрический скат начинает вздрагивать при использовании своего электрического оружия, иными словами, он начинает чувствовать удар током. Конечно, чтобы ток выходил в воду, кожа над электрическими органами не должна быть слишком хорошо изолированной, и действительно, как показывают замеры, кожа сверху и снизу электрических органов ската имеет более высокую электропроводность, чем кожа на других участках тела[23]. Нападение акул
В сентябре 1985 г. телекоммуникационная компания AT&T проложила подводный волоконно-оптический кабель между островами Гран-Канариа и Тенерифе Канарского архипелага. А всего месяц спустя связь была нарушена — кабель замкнуло в 10 км от Тенерифе на глубине 1000 метров. Перед AT&T встала трудоемкая, сложная и дорогостоящая задача поднять кабель и заменить поврежденный участок. Загадочным образом аналогичные повреждения кабеля возникали дважды на следующий год и потом в апреле 1987 г. При тщательном обследовании поврежденных участков на них были обнаружены следы акульих зубов, т.е. кабель перекусывали акулы. Главной подозреваемой стала ложнопесчаная акула Pseudocarcharias kamoharai, у которой были очень мощные челюсти.
Пытаясь понять, что происходит, AT&T занялась рыбной ловлей. Были выловлены и исследованы сотни акул. В одном из экстравагантных экспериментов акуле даже попытались скормить кусок кабеля. «Кабель пришелся акуле не слишком по вкусу, когда его пытались запихнуть в пасть», — отрапортовал сотрудник AT&T Барретт в своем отчете.
Волоконно-оптические кабели укладываются вместе с подводными промежуточными станциями, которые усиливают оптические сигналы. Для питания этих усилителей требуется высокое напряжение, которое подается по медной оплетке, окружающей пучок оптических волокон. Было похоже, что акула прокусывала изоляцию и открывала доступ морской воды к медной оплетке. Это приводило к короткому замыканию системы электропитания и прерывало связь.
Дистанционно управляемые аппараты уже проводили съемку того, как акулы перекусывают электрические кабели. В одном сюжете акула даже возвращается, чтобы еще раз укусить кабель, который не удалось перекусить с первого раза. Проблема в случае волоконно-оптических кабелей заключалась в том, что они намного тоньше старомодных медных кабелей (зачастую не толще садового шланга диаметром примерно 2,5 см) и, таким образом, более уязвимы для зубов акулы. Кроме того, акуле вовсе не нужно перерезать кабель, чтобы нанести серьезное повреждение, — достаточен резкий изгиб. В конце концов AT&T решила «проблему челюстей», обернув кабель двумя слоями стальной ленты и заключив его в толстую полиуретановую оболочку. Выяснилось также, что акулы обычно не охотятся на глубине более 2000 метров, поэтому дополнительная защита от нападений акул не требуется на глубоководных участках. Способность чувствовать электричество
Но зачем акулы нападают на кабель? Вокруг высоковольтного кабеля существует электрическое и магнитное поле. Считается, что акул привлекает электрическое поле кабеля, поскольку они могут реагировать на ничтожные электрические поля, возникающие в результате мышечной активности других организмов, и, таким образом, обнаруживать добычу, даже если она хорошо замаскирована. Отсутствие запахов не мешает акуле отыскивать закопавшуюся в песок камбалу. Она также реагирует на искусственное электрическое поле, величина которого аналогична тому полю, что возникает при дыхательных движениях камбалы, и «нападает». Достаточным оказывается ток силой всего лишь четыре микроампера, поэтому неудивительно, что акулы чувствуют слабые сигналы, исходящие от подводных кабелей.
Классический эксперимент Адриануса Калмейна продемонстрировал, как акулы используют электричество для обнаружения добычи. Акул, пойманных в проливе Ла-Манш и Северном море, поместили в резервуар. (а) Камбала, выпущенная в резервуар, немедленно зарывается в песок, но тут же обнаруживается голодной акулой. (b) Акула находит добычу, даже когда она помещена в агаровую камеру и покрыта песком так, чтобы исключить зрительные, механические или химические способы обнаружения. Так как агар имеет такую же проводимость, что и морская вода, он не препятствует распространению электрических сигналов. (с) Акула перестает находить добычу, если агаровую камеру закрыть тонкой пластиковой пленкой, сопротивление которой достаточно высоко для того, чтобы экранировать электрическое поле камбалы. Это показывает, что акула может чувствовать слабый электрический ток, генерируемый мышцами камбалы при дыхании. (d) Когда камбалу заменяют парой электродов, которые испускают электрический сигнал, подобный ее сигналу, акула атакует электроды и пытается их съесть. (e) Акула больше интересуется электродами, чем лежащим рядом куском рыбы, иными словами, на близком расстоянии электрическое поле является более сильным фактором, чем визуальные или химические сигналы.
Все организмы генерируют ничтожные токи, когда возникают импульсы в нервах или сокращаются мышцы. Неподвижность не спасает — сокращения дыхательных мышц и биение сердца все равно вас выдадут. Когда вы читаете эти слова, мышцы вашего тела создают фон из потрескивающих электрических разрядов. Рыбы, живущие в море, очень хорошо чувствуют эти рассеянные токи. Из-за низкого сопротивления воды (благодаря высокой концентрации растворенных в ней солей) ток распространяется намного дальше: некоторые рыбы способны чувствовать электрические поля напряженностью всего 0,01 мкВ/см (одна десятитысячная часть напряженности, создаваемого батарейкой АА). Неподвижный человек, погруженный в морскую воду по шею, создает электрическое поле напряженностью порядка 0,02 мкВ/см на расстоянии одного метра от тела. Этого более чем достаточно для акулы, чтобы учуять вас.
Электрическое поле могут чувствовать не только акулы, но и многие другие рыбы, включая сомов, скатов, миног, двоякодышащих и кистеперых рыб. Есть основания полагать, что некоторые из них способны даже реагировать на изменение земного электрического поля, предшествующее землетрясению. Возможно, с этим связана японская легенда о том, что землетрясения вызывает гигантский сом, намадзу. Эту рыбу можно встретить в многочисленных прекрасных гравюрах в стиле укиё-э и в более прозаичных современных японских приборах раннего предупреждения о землетрясениях.
«Восприимчивость к электрическому полю» развилась по той причине, что органы чувств, воспринимающие электрические токи, позволяют дифференцировать различные виды рыб. Клетки-электрорецепторы, дающие акулам и скатам возможность исключительно тонко чувствовать электрические поля, расположены в особых органах чувств, известных как ампулы Лоренцини4. Они сконцентрированы на голове акулы в области носа и рта. До сих пор непонятно, как этим клеткам удается достичь такой невероятной чувствительности. В отличие от акул, у костистых рыб в электрорецепторы превратились рецепторы боковой линии, которые чувствительны к движению. Когда вы в следующий раз приготовите целую рыбу на обед, повнимательнее посмотрите на ее бока. Вы увидите тонкую линию, которая тянется по центру бока от головы до хвоста. Это и есть «боковая линия». У большинства рыб органы чувств, являющиеся частью боковой линии, реагируют на изменения давления воды. Однако у некоторых видов рыб рецепторы боковой линии превратились в орган, реагирующий на электрическое поле. Охота в потемках
