Текст книги "Искра жизни. Электричество в теле человека"

Автор книги: Фрэнсис Эшкрофт

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 29 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

Раз, и готово!

Электрический скат Torpedo имеет почти такую же, как и у электрического угря, систему генерирования электрического разряда. Отличия связаны с тем, что он является морской рыбой, а не речной. В пресной воде мало растворенных солей, способных передавать электричество, поэтому ток распространяется не слишком далеко, и угорь должен подобраться довольно близко к жертве, чтобы оглушить ее. В результате угрю нужно значительно более высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воды. Морская вода намного лучше проводит электрический ток, чем пресная, из-за более высокого содержания солей, поэтому ток не так быстро затухает с расстоянием. Скат идеально приспособился к морской среде – он генерирует более значительный ток при более низком напряжении, чем Electrophorus.

Два больших, имеющих форму почки электрических органа ската расположены по бокам у его головы. В каждом из них 500–1000 плотно размещенных столбиков примерно из 1000 электрических пластинок. Имея меньше пластинок в столбиках, скат не может генерировать такое же высокое напряжение, как и угорь. Максимальное напряжение разряда составляет около 50 В, примерно в 10 раз меньше, чем у угря. Вместе с тем его ток больше из-за значительно большего числа столбиков – скат способен генерировать ток силой до 50 А и развивать пиковую мощность разряда более одного киловатта. Причиной того, что скат генерирует более высокий ток при более низком напряжении, является более высокая электропроводность среды, в которой он живет. Особенностями морской жизни объясняется и то, почему его электрические органы короткие и широкие, в отличие от угря, у которого они длинные и тонкие. Просто для того, чтобы получить высокий ток при низком напряжении, требуется множество коротких столбиков.

Электрические органы ската расположены с двух сторон от его головы. Траектория течения тока при разряде электрических органов показана на поперечном разрезе рыбы справа.

Столбики электрических пластинок расположены вертикально между верхней и нижней поверхностями крыльев ската. При разряде ток распределяется в окружающей среде так, что его сила максимальна непосредственно над электрическим органом или под ним. Скат использует это явление во время охоты. Он неподвижно лежит на дне до тех пор, пока какая-нибудь рыба не подплывет достаточно близко, а потом резко всплывает, испуская серию оглушающих электрических разрядов и занимая такое положение, в котором жертва получает наиболее сильный удар. После этого скат набрасывается на обездвиженную добычу, охватывает ее крыльями и заталкивает в рот.

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]23
  Сила тока, проходящего через тело электрического ската или угря, не может быть меньше, чем сила тока, проходящего через тело жертвы, по законам электротехники. Но у электрических рыб ток проходит в основном через электрические органы, а у жертвы – через жизненно важные органы, чувствительные к поражению током. Спрятав уязвимые органы в изолирующую оболочку, рыба защищает их от собственных электрических импульсов. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

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 Лоренцини{15}15
  Ампула Лоренцини представляет собой небольшую капсулу, которая связана с отверстием на поверхности кожи через заполненный желеобразным веществом электропроводный канал. Рецепторные клетки находятся на стенке ампулы. Они реагируют на разность потенциалов между горловиной канала (которая соприкасается с морской водой) и внутренней полостью. Разность потенциала генерирует электрические импульсы в нервных волокнах, которые связаны с ампулой. Стоит перерезать нервы, идущие к ампуле, и акула теряет способность реагировать на слабые электрические поля. Это убедительно доказывает, что ампулы Лоренцини служат органом электрорецепции.


[Закрыть]. 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

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]24
  Области одинакового потенциала называются эквипотенциальными поверхностями, они перпендикулярны силовым линиям поля. Силовые линии характеризуются тем, что направление касательной в любой их точке совпадает с направлением поля. Напряженность поля тем выше, чем гуще силовые линии. В воде ток течет вдоль силовых линий электрического поля. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. 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.

Электрическое поле вокруг гимнарха искажается как объектом с более высокой электропроводностью, чем у воды, например рыбой (слева), так и объектом с более низкой электропроводностью, например камнем (справа). Линиями обозначен поток электрического тока.

Электрорецепторы на коже рыбы следят за ее собственным электрическим полем и искажениями, создаваемыми объектами окружающей среды. У рыб вроде гимнарха их примерно 15 000. Электрорецепторы сосредоточены на голове, однако встречаются и на верхней части спины, где их плотность ниже. Есть и особо чувствительное скопление рецепторов на нижней челюсти. Эти бугристые органы восприятия электрического поля представляют собой небольшую ямочку, дно которой выстлано чувствительными клетками, которые действуют как крошечные вольтметры, реагирующие на падение напряжения между двумя сторонами кожи. Они чрезвычайно чувствительны: когда Мэчин построил электрическую модель в попытке смоделировать чувствительный к электричеству орган рыбы, живая рыба постоянно превосходила ее.