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: «

Сначала приведем несколько правдивых фактов об электрических угрях. Электрический угорь - не совсем угорь. Настоящий угорь - это длинная рыба, которая немного напоминает змею с плавниками. Электрический угорь - это рыба отряда карпообразных, напоминающая угря только по форме (примерно так же, как аэростат напоминает футбольный мяч). В отличие от вполне безобидных настоящих угрей, электрический угорь может вас сильно травмировать.

Электрический угорь - один из 500 видов электрических рыб, среди которых есть также электрический сом и электрический скат.

Зачем им электричество? Представьте, что вы - электрический угорь (если вы - крупный экземпляр, то ваша длина может достигать 3 м, а вес - 40 кг). Вода, в которой вы живете, непрозрачная, в ней плавает огромное количество мусора, поэтому даже днем в ней с трудом удается что-либо разглядеть.

Как вы найдете путь сквозь темную мутную воду? У разных животных выработались свои механизмы поиска пути в темноте. Летучие мыши, например, ориентируются, посылая звуковые сигналы и слушая их отражение от объектов на своем пути. Электрические же угри находят путь в темной воде, используя электрические поля, вырабатываемые их собственным телом, и это компенсирует их плохое зрение.
Угорь плывет, а вокруг него пульсирует электрическое поле. Форма поля изменяется, когда оно натыкается на какой-нибудь объект, который проводит ток не так, как вода (например, на другую рыбу, растение или камень), и специальные клетки на теле угря сообщают ему о нарушении поля. Теперь понятно, почему даже в темноте угорь чувствует окружающие его объекты.

Эта сверхчувствительность дает угрю, как и другим видам электрических рыб, преимущество перед другими животными, которым приходится полагаться на другие чувства: осязание, вкус, слух, обоняние и зрение. Например, в одном из опытов электрическая рыба без телесного контакта в полной темноте обнаружила тонкий стеклянный стержень диаметром 0,2 см, который был спрятан под банкой, стоящей в воде, - она почувствовала колебания своего электрического поля, которое проникло сквозь банку. У электрического угря специальный набор электрических органов расположен по всей длине хвоста (хвост составляет 4/5 всей длины угря, то есть 1-2 м). Эти органы - видоизмененные в ходе развития мышцы.

Обычные мышцы, например ваши бицепсы, сокращаются за счет крошечных электрических импульсов тока. Изначально мышцы угря предназначались для плавания в речной воде. Но в ходе эволюции мышечные волокна трансформировались (теперь они не могут сокращаться, как наши мышцы) и приспособились к вырабатыванию электричества. По форме они не вытянутые, как другие мышечные клетки, а дисковидные, напоминающие кухонные тарелки. Эти диски снабжены нейронами с одного конца, как «шишечки» на батарейках, и расположены рядами, один за другим. У каждой особи их может быть до 700000. Даже на отдыхе угорь постоянно вырабатывает от 1 до 5 электрических низковольтных импульсов в секунду. Раздразните угря - и частота импульсов повысится до 20-50 в секунду.

Почему развились электрические органы? Кроме выполнения функции по распознаванию в мутной воде невидимых объектов, электрические органы служат для угря также оружием. Угорь использует сильные разряды для того, чтобы оглушить или даже убить добычу, например рыб, заплывших в радиус действия его электрического поля. Кроме того, электрические органы являются своего рода электрическим забором, который отпугивает хищных животных, имевших неосторожность позариться на него и попробовать на вкус. Раздраженный угорь может произвести заряд более 500 вольт с силой тока в 1 ампер - этого достаточно, чтобы человек потерял сознание, а комната, полная лампочек, ненадолго озарилась светом.

Семейство содержит лишь один род с единственным видом — электрический угорь (Electrophorus electricus). Электрические угри населяют неглубокие реки северо-восточной части Южной Америки и притоки среднего и нижнего течения Амазонки.

В этих слабопроточных, сильно заросших, заиленных водоемах часто возникает резкий недостаток кислорода. Вероятно, именно это обстоятельство вызвало развитие у электрического угря в ротовой полости особых участков сосудистой ткани, которая позволяет ему усваивать кислород непосредственно из атмосферного воздуха. Для захватывания новой порции воздуха угорь должен подниматься к поверхности воды по крайней мере один раз в 15 минут, но обычно он проделывает это несколько чаще. Если электрического угря лишить такой возможности, то он погибнет и, как это ни парадоксально звучит по отношению к рыбе, утонет. Способность электрического угря использовать для дыхания атмосферный кислород позволяет ему в течение нескольких часов без всякого вреда для себя находиться вне воды, но только в том случае, если его тело и ротовая полость остаются влажными. Такая особенность не только обеспечивает выживание угрей в крайне неблагоприятных условиях существования, но и делает их чрезвычайно удобными лабораторными животными для проведения экспериментов.

Электрические угри — крупные рыбы, средняя длина взрослых особей составляет 1-1,5 м, а наибольший из известных экземпляров достигал почти трехметровой длины. Кожа у электрического угря голая, без чешуи; тело сильно удлиненное, округлое в передней части и несколько сжатое с боков в задней. Спинного и брюшных плавников у электрического угря нет, а грудные очень невелики и при движении рыбы, по-видимому, играют лишь роль стабилизаторов. Основным органом движения угря служит огромный анальный плавник, насчитывающий до 350 лучей и тянущийся от анального отверстия до конца хвоста. С помощью волнообразных движений плавника угорь с одинаковой легкостью может перемещаться вперед и назад, вверх и вниз.

Окраска взрослых электрических угрей оливково-коричневая, нижняя сторона головы и горла ярко-оранжевая, край анального плавника светлый, глаза изумрудно-зеленые. Окраска молодых рыб более светлая, охристого оттенка, иногда с мраморным рисунком.

Наиболее интересная особенность электрических угрей — огромные электрические органы, занимающие около 4/5 длины тела. Положительный полюс «батареи» лежит в передней части тела угря, отрицательный — в задней, т. е. обратно тому, что имеет место у африканских электрических сомов. Наибольшее напряжение разряда, по наблюдениям в аквариумах, может достигать 650 В, но обычно оно меньше, и у рыб метровой длины в среднем не превышает 350 В. Сила тока при этом, однако, не очень велика — всего 0,5-0,75 А, так что даже шестисотвольтовый разряд не может вызвать у человека смертельного шока. Правда, по мере роста рыбы сила тока существенно возрастает (до 2 А), и каким может оказаться результат удара током от трехметровой рыбы, сказать трудно.

Основные электрические органы используются угрем для защиты от врагов и для парализации добычи, которую составляют в основном некрупные рыбы. Кроме мощных высоковольтных органов, у электрических угрей имеются еще два типа низковольтных. Назначение одного из них неясно; известно лишь, что он действует в связи с основной «батареей». Второй тип «вспомогательного» электрического органа играет роль локатора, служащего для обнаружения препятствий на пути движения, а у старых рыб и для поисков пищи, так как с возрастом зрение у электрических угрей, по-видимому, резко ухудшается. Частота таких локационных разрядов при спокойном состоянии рыбы не превышает 20-30 в секунду, но при возбуждении может достигать и 50.

О размножении и развитии электрических угрей, как и других гимнотовидных рыб, почти ничего не известно. Согласно немногочисленным наблюдениям, ко времени размножения электрические угри покидают свои обычные места обитания и возвращаются в них уже в сопровождении подросшей молоди, которая начинает вести самостоятельный образ жизни, достигнув в длину 10-12 см.

Электрические угри с успехом содержатся в неволе и часто служат украшением больших общественных аквариумов. Воду в аквариуме не рекомендуется часто менять. Иначе у электрических угрей на теле возникают язвы, и они погибают. Это явление, по-видимому, связано с тем, что слизь, выделяемая угрями, содержит какой-то антибиотик, который, накапливаясь в воде, предохраняет рыб от язвенных заболеваний.

Электрические органы — парные образования у ряда рыб, способные генерировать электрические разряды; служат для защиты, нападения, внутривидовой сигнализации и ориентации в пространстве. Они развились в процессе эволюции независимо у нескольких неродственных групп пресноводных и морских рыб. Были широко представлены у ископаемых рыб и бесчелюстных; известны у более 300 современных видов. Расположение, форма и строение этих органов у различных видов разнообразны. Они могут находиться симметрично по бокам тела в виде почкоподобных образований (электрические скаты и электрические угри) или подкожного тонкого слоя (электрический сом), нитевидных цилиндрических образований (мормириды и гимнотиды), в подглазничном пространстве (американский звездочет), могут составлять, например, до 1/6 (электрические скаты) и 1/4 (электрические угри и сом) массы рыбы. Каждый орган состоит из многочисленных собранных в столбики электрических пластинок — видоизмененных (уплощенных) мышечных, нервных или железистых клеток, мембраны которых являются электрическими генераторами. Количество пластинок и столбиков в органах разных видов рыб различно: у электрического ската около 600 расположенных в виде пчелиных сотов столбиков по 400 пластин в каждом, у электрического угря — 70 горизонтально размещенных столбиков по 6000 в каждом, у электрического сома электрические пластины, около 2 млн, распределены беспорядочно. Разность потенциалов, развиваемая на концах органов при незамкнутой электрической цепи, может достигать 1200 В (электрический угорь), а мощность разряда в импульсе до 1,5 кВт. Последнее относится, естественно, к цепи замкнутой, когда рыба находится в воде.

Очень мощные разряды и у электрического ската Torpedo occidentalis, живущего в океане. Соленая вода лучше проводит электрический ток.

Разряды излучаются сериями, форма, продолжительность и последовательность которых зависят от степени возбуждения и вида рыбы. Частота следования импульсов связана с их назначением (например электрический скат излучает 10-12 «оборонных» и от 14 до 562 «охотничьих» импульсов в секунду в зависимости от размера жертвы). Величина напряжения в разряде колеблется от 220 (электрические скаты) до 600 В (электрические угри). Рыбы, обладающие электрическими органами, переносят без вреда напряжения, которые убивают рыб, не имеющих их (электрический угорь — до 220 В). Электрические разряды крупных рыб опасны для человека.

17 августа 2016 в 21:31

Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»

Научно-популярное ,
Биотехнологии ,
Физика ,
Экология

Электрический угорь (Источник: youtube)

Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) - единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес - 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет - птицами или мелкими млекопитающими. Ученые изучают электрического угря десятки (если не сотни) лет, но только сейчас начали проясняться некоторые особенности строения его тела и ряда органов.

Причем способность вырабатывать электричество - не единственная необычная черта электрического угря. К примеру, дышит он атмосферным воздухом. Это возможно благодаря большому количеству особого вида ткани ротовой полости, пронизанной кровеносными сосудами. Для дыхания угрю нужно каждые 15 минут всплывать к поверхности. Из воды кислород брать он не может, поскольку обитает он в очень мутных и мелких водоемах, где очень мало кислорода. Но, конечно, главная отличительная черта электрического угря - это его электрические органы.

Они играют роль не только оружия для оглушения или убийства его жертв, которыми угорь питается. Разряд, генерируемый электрическими органами рыбы, может быть и слабым, до 10 В. Такие разряды угорь генерирует для электролокации. Дело в том, что у рыбы есть специальные «электрорецепторы», которые позволяют определять искажения электрического поля, вызываемые его собственным телом. Электролокация помогает угрю находить путь в мутной воде и находить спрятавшихся жертв. Угорь может дать сильный разряд электричества, и в это время затаившаяся рыба или земноводное начинает хаотично дергаться из-за судорог. Эти колебания хищник без труда обнаруживает и съедает жертву. Таким образом, эта рыба является одновременно и электрорецептивной и электрогенной.

Интересно, что разряды различной силы угорь генерирует при помощи электрических органов трех типов. Они занимают примерно 4/5 длины рыбы. Высокое напряжение вырабатывают органы Хантера и Мена, а небольшие токи для навигационных целей и коммуникационных целей генерирует орган Сакса. Главный орган и орган Хантера размещаются в нижней части тела угря, орган Сакса - в хвосте. Угри «общаются» между собой при помощи электрических сигналов на расстоянии до семи метров. Определенной серией электрических разрядов они могут привлекать к себе других особей своего вида.

Как электрический угорь генерирует электрический разряд?

Угри этого вида, как и ряд других «электрифицированных» рыб воспроизводят электричество тем же образом, что и нервы с мышцами в организмах других животных, только для этого используются электроциты - специализированные клетки. Задача выполняется при помощи фермента Na-K-АТФазы (кстати, этот же фермент очень важен и для (лат. Nautilus)). Благодаря ферменту образуется ионный насос, выкачивающий из клетки ионы натрия, и закачивающий ионы калия. Калий выводится из клеток благодаря специальным белкам, входящих в состав мембраны. Они образуют своеобразный «калиевый канал», через который и выводятся ионы калия. Внутри клетки скапливаются положительно заряженные ионы, снаружи - отрицательно заряженные. Возникает электрический градиент .

Разница потенциалов в результате достигает 70 мВ. В мембране той же клетки электрического органа угря есть и натриевые каналы, через которые ионы натрия могут снова попасть в клетку. В обычных условиях за 1 секунду насос выводит из клетки около 200 ионов натрия и одновременно переносит в клетку приблизительно 130 ионов калия. На квадратном микрометре мембраны может разместиться 100- 200 таких насосов. Обычно эти каналы закрыты, но в случае необходимости они открываются. Если это произошло, градиент химического потенциала приводит к тому, что ионы натрия снова поступают в клетки. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 мВ, и клетка дает разряд в 130 мВ. Продолжительность процесса - всего 1 мс. Электрические клетки соединяются между собой нервными волокнами, соединение - последовательное. Электроциты составляют своеобразные столбики, которые соединяются уже параллельно. Общее напряжение генерируемого электрического сигнала достигает 650 В, сила тока - 1А. По некоторым данным, напряжение может достигать даже 1000 В, а сила тока - 2А.

Электроциты (электрические клетки) угря под микроскопом

После разряда снова действует ионный насос, и электрические органы угря заряжаются. По мнению некоторых ученых, насчитывается 7 типов ионных каналов мембраны клеток электроцитов. Расположение этих каналов и чередование типов каналов влияет на скорость производства электричества.

Разряд электрической батареи

По результатам исследования Кеннета Катания (Kenneth Catania) из Университета Вандербильта (США), угорь может использовать три типа разряда своего электрического органа. Первый, как и упоминалось выше - это серия низковольтных импульсов, которые служат для коммуникации и навигационных целей.

Второй - последовательность из 2-3 высоковольтных импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Этот способ используется угрем при охоте на спрятавшуюся и затаившуюся жертву. Как только дано 2-3 разряда высокого напряжения, мышцы затаившейся жертвы начинают сокращаться, и угорь может без труда обнаружить потенциальную еду.

Третий способ - ряд высоковольтных высокочастотных разрядов. Третий способ угорь использует при охоте, выдавая за секунду до 400 импульсов. Этот способ парализует практически любое животное небольшого и среднего размера (даже человека) на расстоянии до 3 метров.

Кто еще способен вырабатывать электрический ток?

Из рыб на это способны около 250 видов. У большинства электричество - лишь средство навигации, как, например, в случае слоника нильского (Gnathonemus petersii).

Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.

Электрический сом (

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.