Як вугор б'є струмом. Електричні риби: список, особливості та цікаві факти. Електричний скат - жива акумуляторна батарея

У теплих і тропічних морях, у каламутних річках Африки та Південної Америки мешкає кілька десятків видів риб, здатних часом або постійно випускати електричні розряди різної сили. Своїм електричним струмом ці риби як користуються захисту і нападу, а й сигналізують їм одне одному і виявляють заздалегідь перешкоди (электролокация). Електричні органи зустрічаються лише в риб. В інших тварин ці органи поки що не виявлено.

Електричні риби існують Землі вже мільйони років. Їхні залишки знайдені в дуже древніх шарах земної кори - в силурійських та девонських відкладах. На давньогрецьких вазах зустрічаються зображення електричного морського схилу торпедо. У творах давньогрецьких і давньоримських письменників-натуралістів чимало згадок про чудову, незрозумілу силу, якій наділений торпедо. Лікарі стародавнього Риму тримали цих схилів у себе у великих акваріумах. Вони намагалися використовувати торпедо для лікування хвороб: пацієнтів змушували торкатися схилу, і від ударів електричного струму хворі ніби одужували. Навіть у наш час на узбережжі Середземного моря і атлантичному березі Піренейського півострова люди похилого віку блукають босоніж по мілководді, сподіваючись вилікуватися від ревматизму або подагри електрикою торпедо.

Електричний скат торпедо.

Обриси тіла торпедо нагадують гітару довжиною від 30 см до 1,5 м і навіть до 2 м. Його шкіра приймає колір, подібний до навколишнього середовища (див. ст. «Забарвлення та наслідування у тварин»). Різні види торпедо живуть у прибережних водах Середземного та Червоного морів, Індійського та Тихого океанів, біля берегів Англії. У деяких бухтах Португалії та Італії торпедо буквально кишать на піщаному дні.

Електричні розряди торпедо дуже сильні. Якщо цей скат потрапить у рибальську мережу, його струм може пройти вологими нитками мережі і вдарити рибалки. Електричні розряди захищають торпедо від хижаків - акул та восьминогів - і допомагають йому полювати на дрібну рибу, яку ці розряди паралізують або навіть вбивають. Електрика у торпедо виробляється у спеціальних органах, своєрідних «електричних батареях». Вони знаходяться між головою і грудними плавцями і складаються із сотень шестигранних стовпчиків драглистої речовини. Стовпчики відокремлені один від одного щільними перегородками, до яких підходять нерви. Верхівки та підстави стовпчиків стикаються зі шкірою спини та черева. Нерви, які підходять до електричних органів, мають усередині «батарей» близько півмільйона закінчень.

Похилої дископизі окучатий.

За кілька десятків секунд торпедо випускає сотні та тисячі коротких розрядів, що йдуть потоком від черевця до спини. Напруга струму в різних видів скатів коливається від 80 до 300 В при силі струму в 7-8 А. У наших морях мешкають кілька видів колючих скатів райя, серед них чорноморський скат - морська лисиця. Дія електричних органів у цих скатів набагато слабша, ніж у торпедо. Можна припускати, що електричні органи служать райя для зв'язку один з одним, на зразок бездротового телеграфу.

У східній частині тихоокеанських тропічних вод мешкає схил дископига очища. Він займає як би проміжне положення між торпедо та колючими схилами. Живиться скат дрібними рачками і легко їх видобуває, не застосовуючи електричного струму. Його електричні розряди нікого не можуть вбити і, мабуть, служать лише для того, щоб відганяти хижаків.

Похилої морської лисиці.

Електричні органи є у скатів. Тіло африканського річкового сома малаптеруруса обгорнуте, як шубою, драглистим шаром, у якому утворюється електричний струм. Перед електричних органів припадає близько чверті ваги всього сома. Напруга розрядів його досягає 360 В, вона небезпечна навіть для людини і, звичайно, згубна для риб.

Вчені встановили, що африканська прісноводна риба гімнархус все життя безперервно випромінює слабкі, але часті електричні сигнали. Ними гімнархус начебто промацує простір навколо себе. Він впевнено плаває в каламутній воді серед водоростей та каміння, не зачіпаючи тілом ні за які перешкоди. Такою ж здатністю наділені африканська риба мормірус та родичі електричного вугра – американські гімноти.

Звездочет.

В Індійському, Тихому та Атлантичному океанах, у Середземному та Чорному морях живуть невеликі риби, до 25 см, рідко до 30 см завдовжки, - зоречети. Зазвичай вони лежать на прибережному дні, підстерігаючи видобуток, що пропливає зверху. Тому їхні очі розташовані на верхній стороні голови і дивляться нагору. Звідси походить назва цих риб. Деякі види звіздарів мають електричні органи, які знаходяться у них на темряві, служать, ймовірно, для сигналізації, хоча їхня дія відчутна і для рибалок. Проте рибалки безперешкодно виловлюють чимало звіздарів.

У американських тропічних річках живе електричний вугор. Це сіро-синя змієподібна риба довжиною до 3 м.На частку голови та грудобрюшної частини припадає лише 1/5 її тіла. Уздовж решти 4/5 тіла з обох боків розташовані складні електричні органи. Вони складаються з 6-7 тис. платівок, відокремлених один від одного тонкою оболонкою та ізольованих прокладкою із драглистої речовини.

Платівки утворюють своєрідну батарею, розряд якої спрямований від хвоста до голови. Напруги струму, що виробляється вуграм, достатньо, щоб убити у воді рибу чи жабу. Погано доводиться від вугрів і людей, що купаються в річці: електричний орган вугра розвиває напругу кілька сотень вольт.

Вугор створює особливо сильну напругу струму, коли він зігнеться дугою так, що жертва знаходиться між його хвостом і головою: виходить замкнене електричне кільце. Електричний розряд вугра приваблює інших вугрів поблизу.

Цією властивістю можна скористатися. Розряджаючи у воду будь-яке джерело електрики, вдається залучити цілу череду вугрів, треба лише підібрати відповідну напругу струму та частоту розрядів. М'ясо електричного вугра у Південній Америці їдять. Але ловити його небезпечно. Один із способів лову розрахований на те, що вугор, який розрядив свою батарею, надовго стає безпечним. Тому рибалки надходять так: у річку заганяють череду корів, вугри нападають на них і витрачають свій запас електрики. Прогнавши корів із річки, рибалки б'ють вугрів острогами.

Підраховано, що 10 тис. вугрів могли б дати енергію для руху електропоїзда протягом кількох хвилин. Але після цього поїзду довелося б стояти кілька діб, доки вугри відновили б свій запас електричної енергії.

Дослідження радянських учених показали, що багато з звичайних, так званих неелектричних риб, які не мають спеціальних електричних органів, все ж таки в стані збудження здатні створювати у воді слабкі електричні розряди.

Ці розряди утворюють навколо тіла риб характерні біоелектричні поля. Встановлено, що слабкі електричні поля є у таких риб, як річковий окунь, щука, піскар, в'юн, карась, краснопірка, горбиль та ін.

Домінік Стетхем

Фото ©depositphotos.com/Yourth2007

Electrophorus electricus) мешкає у темних водах боліт та річок у північній частині Південної Америки. Це таємничий хижак, що має складну систему електролокації і здатний переміщатися і полювати в умовах низької видимості. Використовуючи електрорецептори для визначення спотворень електричного поля, викликаних його власним тілом, він здатний виявляти потенційну жертву, сам при цьому залишаючись непоміченим. Він знерухомлює жертву за допомогою найсильнішого електричного шоку, достатньо сильного, щоб оглушити таке велике ссавець, як кінь, або навіть вбити людину. Своєю подовженою округлою формою тіла вугор нагадує рибу, яку ми зазвичай називаємо муреною (порядок Anguilliformes); проте належить до іншого порядку риб (Gymnotiformes).

Риб, здатних виявляти електричні поля, називають електрорецептивними, а здатних генерувати потужне електричне поле, таких як електричний вугор, називають електрогенними.

Як електричний вугор генерує таку високу електричну напругу?

Електричні риби – не єдині, хто здатний генерувати електрику. Фактично всі живі організми роблять це тією чи іншою мірою. М'язи нашого тіла, наприклад, управляються мозком з допомогою електричних сигналів. Електрони, що виробляються бактеріями, можуть бути використані для вироблення електрики у паливних клітинах, які називаються електроцитами. (Див. таблицю нижче). І хоча кожна з клітин несе незначний заряд, завдяки тому, що тисячі таких клітин збираються в серії, подібно до батарейок у ліхтарику, може бути вироблена напруга до 650 вольт (V). Якщо організувати ці ряди в паралелі, можна отримати електричний струм силою 1 Ампер (A), що дає електричний удар силою 650 ват (W; 1 W = 1 V × 1 A).

Яким чином вугру вдається не приголомшувати себе електричним струмом?

Фото:CC-BY-SA Steven Walling via Wikipedia

Вчені не знають точно, як відповісти на це питання, але результати деяких цікавих спостережень можуть пролити світло на цю проблему. По-перше, життєво важливі органи вугра (наприклад, мозок і серце) розташовані біля голови, далеко від органів, що виробляють електрику, та оточені жировою тканиною, яка може діяти у вигляді ізоляції. Шкіра також має ізолюючі властивості, оскільки, згідно з результатами спостережень, вугри з пошкодженою шкірою більш схильні до самооглушення електричним ударом.

По-друге, найбільш сильні електричні удари вугри здатні завдавати в момент парування, не завдаючи при цьому шкоди партнеру. Однак якщо удар такої ж сили завдати іншому вугрю не під час парування, це може його вбити. Це передбачає, що у вугрів існує система захисту, яку можна включати і відключати.

Чи міг електричний вугор виникнути внаслідок еволюції?

Дуже важко уявити, як це могло б статися в ході незначних змін, як того вимагає процес, запропонований Дарвіним. Якщо ударна хвиля була важливою з самого початку, то замість того, щоб оглушити, вона попереджала б жертву про небезпеку. Більше того, щоб у ході еволюції виробити здатність приголомшувати жертву, електричному вугрю довелося б одночасновиробляти систему самозахисту. Щоразу, коли виникала мутація, що збільшує силу електричного удару, мала виникати й інша мутація, що покращує електроізоляцію вугра. Здається малоймовірним те, що однієї мутації було б достатньо. Наприклад, щоб пересунути органи ближче до голови, знадобилося б ціла серія мутацій, які мали виникнути одночасно.

Хоча деякі риби здатні приголомшувати свій видобуток, існує безліч видів, що використовують електрику низької напруги для навігації та спілкування. Електричні вугри відносяться до групи південноамериканських риб, відомих під назвою «ножетелки» (родина Mormyridae), які теж використовують електролокацію і, як вважається, розвинули цю здатність поряд зі своїми південноамериканськими побратимами. Більше того, еволюціоністи змушені заявляти, що електричні органи риб еволюціонували незалежно один від одного вісім разів. Якщо зважити на складність їх будови, вражає вже те, що ці системи могли розвинутися в ході еволюції хоча б один раз, не кажучи вже про вісім.

Ножетілки з Південної Америки та химерні з Африки використовують свої електричні органи для визначення місцезнаходження та комунікації та використовують ряд різних видів електрорецепторів. У обох групах є види, які продукують електричні поля різних складних форм хвилі. Два види ножівок, Brachyhypopomus benettiі Brachyhypopomus walteriнастільки схожі один на одного, що їх можна було б віднести до одного виду, проте перший виробляє струм постійної напруги, а другий - струм змінної напруги. Еволюційна історія стає ще більш примітною, якщо копнути ще глибше. Для того, щоб їх електролокаційні апарати не заважали один одному і не створювали перешкод, деякі види використовують спеціальну систему, за допомогою якої кожна з риб змінює частоту електричного розряду. Примітно, що ця система працює практично так само (використовується такий же обчислювальний алгоритм), як у скляної ножівки з Південної Америки ( Eigenmannia) та африканської риби аба-аба ( Gymnarchus). Чи могла така система усунення перешкод незалежно розвинутись у ході еволюції у двох окремих груп риб, що мешкають на різних континентах?

Шедевр Божого творіння

Енергетичний агрегат електричного вугра затьмарив усі творіння людини своєю компактністю гнучкістю, мобільністю, екологічною безпекою та здатністю до самовідновлення. Всі частини цього апарату ідеальним чином інтегровані в лощене тіло, що дає вугру можливість пливти з великою швидкістю та сприйнятливістю. Всі деталі його будови – від крихітних клітин, що виробляють електрику, до найскладнішого обчислювального комплексу, що аналізує спотворення вугрів електричних полів, - вказують на задум великого Творця.

Як електричний вугор генерує електрику? (Науково-популярна стаття)

Електричні риби генерують електрику подібно до того, як це роблять нерви і м'язи в нашому тілі. Всередині клітин-електроцитів особливі ензимні протеїни під назвою Na-K ATФазавикачують натрієві іони через клітинну мембрану і всмоктують іони калію. (“Na” – хімічний символ натрію, а “K” – хімічний символ калію”. “ATФ” – аденозинтрифосфат – енергетична молекула, яка використовується для роботи насоса). Дисбаланс між іонами калію всередині та зовні клітини призводить до виникнення хімічного градієнта, який знову виштовхує іони калію із клітини. Подібним чином дисбаланс між іонами натрію породжує хімічний градієнт, який затягує іони натрію назад в клітину. Інші протеїни, вбудовані в мембрану, діють у вигляді каналів для іонів калію, пір, що дозволяють іона калію залишити клітину. У міру того, як іони калію з позитивним зарядом накопичуються зовні клітини, навколо клітинної мембрани наростає електричний градієнт, причому зовнішня частина клітини має позитивніший заряд, ніж її внутрішня частина. Насоси Na-K ATФази (натрій-калієвої аденозинтрифосфатази)побудовані таким чином, що вони обирають лише один позитивно заряджений іон, інакше негативно заряджені іони також стали б перетікати, нейтралізуючи заряд.

Більшість тіла електричного вугра складається з електричних органів. Головний орган та орган Хантера відповідають за вироблення та накопичення електричного заряду. Орган Сакса виробляє електричне поле низької напруги, яке використовується для електролокації.

Хімічний градієнт діє в такий спосіб, що виштовхує іони калію, а електричний градієнт втягує їх назад. У момент настання балансу, коли хімічні та електричні сили скасовують одна одну, зовні клітини буде приблизно на 70 мілівольт більше позитивного заряду, ніж усередині. Таким чином, усередині клітини виявляється негативний заряд -70 мілівольт.

Проте більша кількість протеїнів, вбудованих у клітинну мембрану, забезпечують канали для іонів натрію – це пори, які дозволяють іонам натрію знову потрапляти у клітину. У звичайному стані ці пори перекриті, проте коли електричні органи активуються, пори розкриваються, і іони натрію з позитивним зарядом знову надходять клітину під впливом градієнта хімічного потенціалу. В даному випадку баланс досягається, коли всередині клітини збирається позитивний заряд до 60 мілівольт. Відбувається загальна зміна напруги від -70 до +60 мілівольт і це становить 130 mV або 0.13 V. Цей розряд відбувається дуже швидко, приблизно за одну мілісекунду. І оскільки в серії клітин зібрано приблизно 5000 електроцитів завдяки синхронному розряду всіх клітин може вироблятися до 650 вольт (5000 × 0.13 V = 650).

Насос Na-K ATФази (натрій-калієвої аденазинтрифосфотази).За кожен цикл два іони калію (K+) надходять у клітину, а три іони натрію (Na+) виходять із клітини. Цей процес рухається енергією АТФ молекул.

Глосарій

Атом або молекула, що несе електричний заряд завдяки нерівній кількості електронів та протонів. Іон матиме негативний заряд, якщо в ньому міститься більше електронів, ніж протонів, і позитивний заряд – якщо в ньому міститься більше протонів, ніж електронів. Іони калію (K+) та натрію (Na+) мають позитивний заряд.

Градієнт

Зміна будь-якої величини при переміщенні від однієї точки до іншої. Наприклад, якщо ви відходите від багаття, температура знижується. Таким чином, багаття генерує температурний градієнт, що зменшується з відстанню.

Електричний градієнт

Градієнт зміни величини електричного заряду. Наприклад, якщо зовні клітини міститься більше позитивно заряджених іонів, ніж усередині клітини, електричний градієнт буде проходити через клітинну мембрану. Завдяки тому, що однакові заряди відштовхуються один від одного, іони рухатимуться таким чином, щоб збалансувати заряд усередині та зовні клітини. Пересування іонів через електричний градієнт відбувається пасивно, під впливом електричної потенційної енергії, а не активно, під впливом енергії, що надходить із зовнішнього джерела, наприклад з АТФ-молекули.

Хімічний градієнт

Градієнт хімічної концентрації. Наприклад, якщо зовні клітини міститься більше іонів натрію, ніж усередині клітини, то хімічний градієнт натрієвого іону проходитиме через клітинну мембрану. Через довільний рух іонів і зіткнень між ними існує тенденція, що іони натрію будуть рухатися від більш високих концентрацій до нижчих концентрацій доти, доки не буде встановлено баланс, тобто поки по обидва боки мембрани не виявиться однакова кількість іонів натрію. Це відбувається пасивно, внаслідок дифузії. Рухи обумовлені кінетичною енергією іонів, а чи не енергією, одержуваної із зовнішнього джерела, як-от АТФ молекула.

Різниця потенціалів на кінцях електричних органів може досягати 1200 вольт, а потужність розряду в імпульсі – від 1 до 6 кіловат. Частота імпульсів залежить від їхнього призначення. Наприклад, електричний схил випускає 10-12 імпульсів, коли захищається, і від 14 до 562, коли нападає. Потужність напруги в розряді різних риб коливається від 20 до 600 вольт. Серед морських риб найсильніший електричний орган у ската Torpedo maromata - він може генерувати розряд більше 200 вольт. Електрика захищає його і від акул, і від восьминогів, а також дозволяє полювати на дрібні риби.

У прісноводних риб розряди ще сильніші. Справа в тому, що солона вода краще проводить електрику, ніж прісна. Тому морським рибам, щоб приголомшити супротивника, потрібно менше енергії. Одна з найнебезпечніших прісноводних риб – це електричний вугор із Амазонки. На його тілі три електричні органи. Два з них для навігації та пошуку видобутку, а третій є найпотужнішою зброєю з напругою понад 500 вольт. Електричний удар такої сили не тільки вбиває рибу та жаб, але навіть може завдати серйозної шкоди людині. Тому ловити амазонських вугрів дуже небезпечно. Для цього в річку заганяють череду корів, щоб вугри витратили на них весь свій заряд. Лише після цього люди заходять у воду.

Деякі риби використовують електрику для навігації. Наприклад, нільський слоник чи риба-ніж створюють навколо себе електромагнітне поле. Коли в нього потрапляє сторонній об'єкт, риба це відразу відчуває. Така навігаційна система нагадує ехолокацію кажанів. Вона дозволяє добре орієнтуватися у каламутній воді. Як показали дослідження, багато електричних риб настільки чутливі до зміни електромагнітних полів, що здатні «передбачати» землетрус, що наближається.

Розкажіть про електричні риби. Якої величини струм вони виробляють?

Електричний сом.

Електричний вугор.

Електричний скат.

В. Кумушкін (м. Петрозаводськ).

Серед електричних риб першість належить електричному вугрю, що у притоках Амазонки та інших річках Південної Америки. Дорослі особини вугра сягають двох з половиною метрів. Електричні органи - перетворені м'язи - розташовуються біля вугра з боків, простягаючись вздовж хребта на 80 відсотків усієї довжини риби. Це своєрідна батарея плюс якої знаходиться в передній частині тіла, а мінус - в задній. Жива батарея виробляє напругу близько 350, а у найбільших особин – до 650 вольт. За миттєвої сили струму до 1-2 ампер такий розряд здатний звалити з ніг людини. За допомогою електричних розрядів вугор захищається від ворогів і видобуває собі їжу.

У річках Екваторіальної Африки мешкає інша риба – електричний сом. Розміри його менші - від 60 до 100 см. Спеціальні залози, що виробляють електрику, становлять близько 25 відсотків загальної ваги риби. Електричний струм досягає напруги 360 вольт. Відомі випадки електричного шоку у людей, які купалися в річці і ненароком наступили на такого сома. Якщо електричний сом трапляється на вудку, то й рибалок може отримати дуже відчутний удар струмом, що пройшов мокрим лісом і вудлищем до його руки.

Проте вміло спрямовані електричні розряди можна використовувати з лікувальною метою. Відомо, що електричний сом займав почесне місце в арсеналі народної медицини у стародавніх єгиптян.

Виробляти дуже значну електричну енергію здатні й електричні скати. Їх налічується понад 30 видів. Ці малорухливі жителі дна, розміром від 15 до 180 см, поширені головним чином прибережній зоні тропічних і субтропічних вод всіх океанів. Причаївшись на дні, іноді наполовину занурившись у пісок або мул, вони паралізують свій видобуток (інших риб) розрядом струму, напруга якого у різних видів скатів буває від 8 до 220 вольт. Схил може завдати значного удару струмом і людині, яка випадково зіткнулася з ним.

Крім електричних зарядів великої сили риби здатні виробляти і низьковольтний, слабкий струм струм. Завдяки ритмічним розрядам слабкого струму з частотою від 1 до 2000 імпульсів в секунду, вони навіть у каламутній воді чудово орієнтуються і сигналізують один одному про небезпеку, що виникає. Такі морміруси і гімнархи, що мешкають у каламутних водах річок, озер та боліт Африки.

Взагалі ж, як показали експериментальні дослідження, практично всі риби, і морські, і прісноводні здатні випромінювати дуже слабкі електричні розряди, які можна вловити лише за допомогою спеціальних приладів. Ці розряди відіграють важливу роль у поведінкових реакціях риб, особливо тих, що постійно тримаються великими зграями.