Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Некоторые земноводные, например аксолотль и гигантская саламандра, а также примитивные яйцекладущие млекопитающие (однопроходные яйцекладущие) вроде утконоса тоже обладают чувствительностью к электрическому полю. Все они не случайно живут в водной среде, поскольку для восприятия электрического поля необходима проводящая среда.
Утконос — самое необычное млекопитающее, обитающее в ручьях и реках Австралии. Оно покрыто мехом, имеет перепончатые лапы, у него есть шпоры, наполненные ядом, на задних лапах, гибкий кожистый нос по форме напоминающий утиный, и, наконец, оно откладывает яйца. Утконос, помимо прочего, очень тонко чувствует электрические поля, что позволяет ему находить добычу в мутных потоках ночью, хотя при нырянии он и закрывает глаза, уши и ноздри. На коже его носа находится большое количество чувствительных к электричеству клеток, порядка 40 000, вытянутых длинными рядами от основания до кончика носа. Такая электрорецепторная система обладает острой направленностью — во время охоты утконос водит головой из стороны в сторону. Возможно, это помогает ему отыскивать добычу, сравнивая сигналы от электрорецепторов на левой и на правой сторонах клюва, подобно тому, как вы поворачиваете голову из стороны в сторону, чтобы определить, откуда слышен звук. Удивительно то, что утконос может также определять расстояние до добычи. Сделать это ему помогает одновременное использование электрических и механических органов чувств — интервал между поступлением электрических сигналов и изменениями давления в воде, возникающими при движении добычи, позволяет оценивать расстояние.
Западная, или австралийская, ехидна — сухопутное яйцекладущее млекопитающее, имеет похожую, но менее сложную электрочувствительную систему. Это животное напоминает ежа с длинным носом, с помощью которого оно отыскивает во влажной опавшей листве дождевых червей и других беспозвоночных. Электрорецепторы у ехидны сосредоточены на коже, покрывающей кончик носа, они помогают ей отыскивать добычу. Тупорылая ехидна, имеющая намного меньше электрорецепторов, питается муравьями. Считается, что она может пользоваться своим электрочувствительным органом только после дождя, когда кормится особенно активно.
Электрорецепторы однопроходных яйцекладущих совершенно не похожи на электрорецепторы рыб и, по всей видимости, сформировались из слизистых желез. Это не случайно для животных, которые непостоянно живут в воде, поскольку обеспечивает поддержание чувствительных клеток во влажном состоянии и повышает их способность реагировать на электрический сигнал. Электродетекторами служат оголенные нервные окончания — специализированный орган чувств отсутствует. Хотя порог чувствительности отдельного окончания нервного волокна составляет лишь 1–2 мВ/см, утконос может обнаруживать поле, напряженность которого почти стократно меньше. Удивительная чувствительность утконоса, возможно, связана с его способностью интегрировать информацию от многих тысяч рецепторов, что кардинально увеличивает способность реагировать на сигнал.
Гвианский дельфин обитает в прибрежных водах и дельтах рек северо-восточного побережья Южной Америки, где взвешенные породы и отложения могут замутнять воду. Он использует электрорецепторы, расположенные во впадинах «носа», для обнаружения слабых электрических полей небольших рыб. По всей видимости, электросенсорные способности служат дополнительным средством обнаружения добычи в непосредственной близости. Поиск пути
Электрический разряд, генерируемый угрем, не давал покоя Чарльзу Дарвину, который не мог объяснить, из чего эволюционировал электрический орган, поскольку не было никаких промежуточных органов для защиты или нападения, а существовал лишь полностью сформировавшийся орган. Дарвин не понимал, какое преимущество может давать животному способность генерировать электрический разряд. Однако, как нам сейчас известно, слабый электрический разряд имеет очень большое значение.
Рыбы, генерирующие слабые электрические импульсы, силой всего несколько вольт, были обнаружены в конце XIX и в начале XX в. Они обладают сложной электросенсорной системой, в которой генерирование слабых электрических разрядов сочетается с электрорецепцией. Система служит для обнаружения как хищников, так и добычи и просто бесценна для ориентирования в темноте, где зрение бесполезно. Пассивная электрорецепция, как у акул, подобна слуху — это просто обнаружение электрического поля в окружающей среде. Активная электрорецепция больше походит на радиолокатор — рыба генерирует электрическое поле и обнаруживает объекты по искажениям этого поля.
Решающие эксперименты, показавшие функцию этих слабых электрических разрядов, провели Ганс Лиссманн и Кен Мэчин в 1950-х гг. Лиссманна заинтриговал тот факт, что представитель нотоптеровых гимнарх (Gymnarchus) нередко плавает задом наперед и при этом ни на что не наталкивается, умеет обходить препятствия и способен обнаруживать добычу на некотором расстоянии, несмотря на очень низкую видимость. По одной из историй, возможно, вымышленной, на способность гимнарха реагировать на электрическое поле обратили внимание, когда какая-то студентка стала причесываться около аквариума, и это испугало рыбу. Эта история вполне может быть мифом, но Лиссманн сообщал в своем отчете, что такой эффект наблюдался, когда он причесывался (наверное, возникающий во время причесывания электростатический заряд пугал рыбу). Установив электроды в аквариуме, Лиссманн обнаружил, что рыба генерирует непрерывный поток электрических импульсов и что она очень чутко реагирует на любые изменения создаваемого ею электрического поля. Его записи завершаются нотой отчаяния: «К сожалению, в процессе исследований мой гимнарх погиб, и, как оказалось, ему очень трудно найти замену… Я был бы очень признателен любому, кто сообщит мне, где можно добыть такую рыбу».
По всей видимости, Лиссманну так никто и не ответил, поскольку он вскоре после этого, в 1951 г., сам отправился в Африку, чтобы найти объект исследования. Его целью была река Черная Вольта на севере Ганы. В сезон дождей вода в этой реке становится чрезвычайно мутной из-за высокого содержания взвешенных частиц. В такой воде трудно не только рыбе разглядеть добычу, но исследователю увидеть рыбу. Присутствие рыбы обнаруживали с помощью двух электродов, которые опускали в воду с берега (или с лодки) на длинном шесте и подключали к усилителю, преобразовывавшему электрический сигнал в звуковой. Это позволяло «слышать» электрическую рыбу, и Лиссманн обычно регистрировал характерный ровный шум с частотой около 300 циклов в секунду. В результате он поймал-таки нескольких рыб, три из которых ему удалось доставить в целости и сохранности в Кембридж и продолжить исследования.
Лиссманн и Мэчин вознамерились проверить идею о том, что гимнарх обнаруживает объекты в воде по их искажающему воздействию на электрическое поле, генерируемое самой рыбой. Они использовали пористые керамические горшки с разной электропроводностью: одни из них наполнялись дистиллированной водой и имели низкую электропроводность, другие — концентрированным раствором соли для получения более высокой электропроводности, чем могла ожидать рыба. Как оказалось, гимнарх легко различал горшки с разной электропроводностью.
Электросенсорный аппарат гимнарха состоит из электрического органа, который генерирует слабое электрическое поле, и детекторной системы, реагирующей на искажения этого поля под влиянием объектов в окружающей среде. Фактически рыба создает электрический образ своей среды, подобный зрительному образу, который мы используем для ориентирования в пространстве. Электрические импульсы, испускаемые такими рыбами, относительно слабые — их напряжение составляет менее одного вольта. Они генерируются электрическим органом, который работает аналогично электрическому органу угря, но из-за меньшего числа электрических пластинок получаемое напряжение намного слабее. Электрическое поле, создаваемое электрической рыбой, по форме напоминает рисунок, возникающий вокруг стержневого магнита, когда в его поле помещают стальные опилки. Силовые линии (с одним и тем же потенциалом) идут от головы к хвосту, становясь тем слабее, чем дальше они находятся от рыбы[24]. Ток течет под прямым углом к линиям постоянного потенциала и, таким образом, выходит из рыбы перпендикулярно ее телу и входит в нее в районе хвоста.
Если в это электрическое поле попадает какой-либо объект, он искажает его. Так, если сопротивление объекта больше сопротивления воды (например, в случае камня), электрический ток обтекает его, создавая локальное снижение плотности тока и «электрическую тень» на поверхности рыбы. Если же объект имеет более низкое сопротивление (например, другая рыба), то ток пойдет через него, увеличивая плотность тока и создавая «электрическое светлое пятно» на коже. Чем ближе объект, тем больше пятно. Воспринимая эти изменения силы тока, рыба может определять не только присутствие и размер объекта, но и то, из чего он сделан, т.е. принимать решение, нападать, спасаться или просто не обращать внимания. Конечно, если у объекта будет точно такое же сопротивление, как и у воды, то он станет невидимым для рыбы.
