В мире электрочувства

Известно, что многие животные и растения способны улавливать электрические поля и электрические токи в воде и чутко реагировать на них. Наиболее совершенно электрочувство развито у рыб. Они, как сказал известный американский зоолог Т. Буллок, "видят мир посредством нового чувства", и не только "видят", а осуществляют электрическую локацию, обмениваются информацией между собой и, наконец, генерируют ток напряжением до 600 вольт, которым могут сбить с ног человека и полностью парализовать свою добычу. Рыбаки, живущие на побережье Аргентины, знают, что в их заливах водятся электрические угри, способные накапливать в своих живых батареях до 300 вольт. Никто из рыбаков не хочет получить такой удар от электрического угря. Понимая, что для накопления энергии нужно время, рыбаки сначала загоняют в воду стадо коров, которые, получив электрические разряды от угрей, с ревом выбегают из воды. Теперь "живые батареи" разряжены, и рыбаки входят с сетями в залив, не опасаясь сильных электрических ударов.

Нужно сказать, что генерировать мощные электрические заряды могут только некоторые виды рыб, а способностью чувствовать электрические поля и токи наделены многие представители животного мира. Так, простейшие, например инфузории, свое движение в электрическом поле ориентируют по направлению к электродам. Исследователи назвали это свойство гальванотаксисом. Если напряжение между электродами невелико, инфузории движутся от анода к катоду. Но достаточно повысить напряжение до нескольких вольт, как реснички инфузорий, с помощью которых они передвигаются, непроизвольно начинают работать в обратную сторону, и хвостовым концом, сама того не желая, инфузория движется к аноду, где начинает раздуваться и затем гибнет. Очень интересно наблюдать в микроскоп за инфузориями в электрическом поле. Можно увидеть, как только что снующие во все стороны одноклеточные существа после включения тока, будто по команде, сотнями движутся в одну сторону.

А вот коловратки, микроскопические черви, величиной почти с инфузорию, не подчиняются властному зову электрического поля, хотя, возможно, и чувствуют его не хуже простейших. Мы проделали такой опыт: взяли большой кристалл фтористого лития и раскололи его на две половинки. На поверхностях расколотого кристалла возникает электростатическое поле, причем не гомогенное, а сложное по конфигурации, повторяющее структуру кристаллической решетки. Расколотый кристалл положили в культуру с коловратками филодинами и через некоторое время проверили под микроскопом, куда коловратка отложила свои яйца? На поверхности кристалла яйца были отложены по узлам кристаллической решетки. Следовательно, можно сделать вывод, что коловратка ощущает даже точечные слабые электрические поля на поверхности кристалла.

Можно предположить, что большинство существ, ощущающих электрические поля и их изменение в природе, способны воспринимать информацию посредством взаимодействия природных полей с собственным электрическим полем организма. В 1967 году ленинградскому физиологу П. И. Гуляеву с помощью специальных зондирующих усилителей удалось зарегистрировать электрические поля вокруг нервов мышц, сердца лягушки, а также вокруг человека на расстоянии 10-25 сантиметров. Электрические поля зарегистрированы также вокруг летящего комара и шмеля^*. Как мы в дальнейшем увидим, у рыб есть специальные рецепторы электрического чувства, поэтому у них эта система наиболее совершенна.

^* (См.: Протасов В. Р., Бондарчук А. И., Ольшанский В. М. Введение в электроэкологию. М., Наука, 1982, с. 14.)

Водная среда, в которой обитают рыбы, обладает высокой электропроводностью. По этой причине токовые поля, вырабатываемые живыми генераторами, достигают электрорецепторов других рыб почти без потерь и появляется возможность электролокации и передачи электрических сигналов на несколько метров в реках и морях, где зрение часто не играет главной роли, если вода мутна.

Всех электрических рыб можно разделить на сильноэлектрических и слабоэлектрических. Эта классификация связана с работой у них "генераторов электрических импульсов". Если за основу взять способность рыб к восприятию электрических импульсов, то можно увидеть, что одни рыбы очень чувствительны к электричеству - у них есть специальные электрические рецепторы, другие рыбы менее чувствительны к токовым полям - обычно у этих видов рыб отсутствуют специальные электрорецепторы. Рыбы с электрорецепторами улавливают импульсы до сотых долей милливольта на сантиметр, рыбы же без электрорецепторов менее чувствительны.

Что же собой представляют электрические органы у рыб и каково их гистологическое строение? Как правило, это видоизмененная мышечная ткань. Электрические клетки очень сильно уплощены, поэтому их и называют электрическими пластинками. Например, у электрического угря толщина таких пластинок всего 10 микрон. Их можно увидеть только сбоку в световой микроскоп, а сверху они напоминают шестиугольник площадью примерно 1 сантиметр. Такое устройство увеличивает площадь мембраны клетки, ведь именно на ней вырабатываются во всех живых клетках электрические потенциалы. И если обычная живая клетка может создать на своей мембране потенциал, равный 30 милливольтам, то электрическая пластинка - до 150 милливольт. Следовательно, основной элемент "электрической батареи" - видоизмененная мышечная клетка. Эти электрические пластины собраны в столбики, уложены одна на другую и соединены последовательно, как элементы любой электрической батареи. Ряды столбиков, контактируя друг с другом, образуют тип параллельного электрического соединения. У разных видов электрические пластинки могут отличаться (рис. 6), но принцип строения электрических органов сходен. Правда, полярность во многом зависит от ориентации электрических столбиков. Если столбики ориентированы лицевой стороной к голове рыбы, то голова становится носителем отрицательного заряда относительно хвоста. У других видов столбики ориентированы в сторону хвоста, следовательно, у головы положительный заряд (рис. 7).

Рис. 6. Строение электропластинок: А - скат; Б - звездочет; В - электрический угорь; Г - нильский слоник (Протасов, 1972): 1 - электрическая пластина; 2 - соединительная ткань; 3 - сосочек; 4 - кровеносный сосуд; 5 - нервы

Как мы писали, угри, живущие в Амазонке, способны генерировать большие заряды - в несколько киловатт. Некоторые виды скатов развивают мощность заряда до 6 киловатт. Нас же сейчас интересуют электрические рыбы, сигналы которых так слабы, что не могут использоваться как средство защиты. Такие рыбы живут в мутных илистых водах и наиболее активны в ночное время. Однако это не мешает им "видеть" врагов и пищу с помощью особого электрического радара.

Рис. 7. Полярность электрических зарядов у различных видов рыб (закрашенные места - расположение электрических органов): 1 - электрический скат с главным (А) и вспомогательным (Б) электрическими органами; 2 - обыкновенный скат; 3 - электрический сом; 4 - электрический угорь; главный орган спереди, вверху (А); орган Сакса сзади (Б); орган Хантера снизу (В); 5 - рыба-нож; 6 - гимнарх; 7 - гнатонемус; 8 - звездочет; 9 - ископаемая рыба, верхний силур (Harder, 1965)

Познакомимся с одной из таких рыб, с африканским слоником, или нильским длиннорылом, из семейства мормирид. Рыбаки очень удивлялись, что в их сети никогда не попадали длиннорылы. Думали, что он уходит из сетей. Однако все дело в "электрическом видении", которое позволяет ему следить за окружающей обстановкой, даже если он зарылся в ил и своим длинным рылом разыскивает червей. Электрический орган у нильского слоника небольшой по размерам, находится в стебле хвоста и состоит из пластинок, перпендикулярных оси тела. Такая структура позволяет генерировать электрические импульсы - диполи с разностью потенциала от 7 до 17 вольт. Рыба не просто разрежается, а как бы "стреляет" отдельными двухфазными синусоидальными импульсами. Когда нильский слоник лежит спокойно в своем убежище в полной темноте, он посылает 5-7 импульсов в секунду и создает вокруг своего тела электрическое поле, мерцающее с такой же частотой, как идут его импульсы. Поле это асимметрично: более плотно у хвостового конца тела и более разрежено к голове. Но стоит только изменить соленость, температуру воды, дать свет или же внести в поле электропроводящий объект, как длиннорыл начинает испускать 40-50 импульсов в секунду. Все чаще и чаще лоцируя исследуемый объект, он решает, как ему поступать - убегать или поглубже зарыться в ил. Электрические импульсы нильского слоника очень короткие и длятся всего от 300 микросекунд до 1 миллисекунды. Лоцирующий прибор нильского длиннорыла, видимо, не только определяет размеры объекта, искажающего его поле, но и узнает его форму. Об искажении формы своего собственного электрополя нильский слоник узнает с помощью электрорецепторов, которыми усеяны его голова, спина и брюхо.

У других рыб с электролокаторами, таких, как нильская щука и гимнотус, электрорецепторы расположены в тех же местах, а у ската в основном на брюшной стороне. Самое интересное, что электрорецепторы были открыты задолго до того, как у людей возникло какое-либо представление об электрической деятельности рыб. В 1678 году их подробно исследовал и описал итальянец Лоренцини. На поверхности тела ската он увидел поры, а при детальном исследовании оказалось, что поры - это вход в длинный канал, который заканчивается расширением или ампулой. Эти образования так и назвали - "ампулы Лоренцини". Только совсем недавно удалось доказать, что они очень чувствительны к электрическим полям, для срабатывания ампул достаточно тока величиной всего 0,005 микроампера. Такие ампулы обнаружены в теле акулы, скатов и морского тропического сома. А нильский слоник и нильская щука вооружены бугорчатыми рецепторами. В таком рецепторе тоже есть расширение с электрочувствительными клетками, как и в ампуле Лоренцини. Наиболее чувствительный рецептор электрических полей у нильской щуки в 10 раз чувствительнее, чем у скатов.

Своими электрорецепторами, используя импульсное электрическое поле, рыбы не только улавливают мелкие по размерам предметы, но и различают ничтожную разницу в их электропроводности. Каким же образом они достигают такой точности? Делать это им помогает все то же пульсирующее поле. Клетки - детекторы рецептора воспринимают не само электрическое поле, а его изменения и деформацию из-за посторонних предметов. Чувствительный орган сам генерирует электрические импульсы тоже с высокой частотой, но он их так подбирает по фазе, что вспышки его импульсов возникают в промежутках между импульсами, создаваемыми электрогенератором. Стоит только постороннему предмету появиться в поле рыбы и сдвинуть время прихода электрического импульса к рецептору, как промежутки между пульсацией электрогенератора и рецептора сократятся, а мозжечок, анализирующий промежутки между нервными импульсами, сразу отметит эти изменения - ведь у электрических рыб он очень хорошо развит. Если бы электрическое поле у рыбы было постоянным, то о локации с его помощью не могло быть и речи, она была бы невозможна. Пульсирующее электрическое поле - главная особенность прибора рыб, необычного для нас "видения".

Некоторые ихтиологи отмечали, что, когда они переводили рыбу из одного бассейна в другой на рыбозаводах или же пытались перегородить путь большой рыбе, например осетрам, рыба делала рывок, и они ощущали его на расстоянии. И им передавался не удар волны, создаваемой рывками и бросками. От рыб исходил какой-то непонятный импульс. Много лет посвятивший исследованию электрического чувства у рыб В. Р. Протасов считает, что во время испуга рыбы воспроизводят низкочастотные колебания. Другим ученым удалось показать, что при испуге во время скачков, рывков и бросков рыбы испускают наиболее сильные электрические разряды. Это могут быть не только электрические рыбы. Сейчас установлено, что большинство из известных нам рыб может генерировать слабые электрические разряды с частотой от 50 до 800 герц. Если с помощью приборов перевести эти колебания в звуковые, то можно было бы услышать, как рыбы "щелкают", убегая от хищника, и как "взвизгивает" щука, бросаясь на свою жертву. А в морской воде "щелчки" испугавшихся преследования рыб привлекают к себе акул.

Ученые проделали такой опыт. Поместили камбалу и ее заклятого врага ската - морскую лисицу в разные аквариумы. Связь между аквариумами осуществлялась только проводами. В грунт того и другого аквариума были вделаны электроды, прикрепленные к проводам. Как только камбала приближалась на расстояние 10-15 сантиметров от электродов в своем аквариуме, в другом аквариуме скат приходил в возбуждение, он чувствовал электрическое поле камбалы. Вероятно, акулы и скаты используют биоэлектрические потенциалы для отыскания пищи, и не исключено, что такой же способностью обладают осетровые и хищные рыбы пресных вод.

Электрические рыбы могут использовать сигналы своих разрядов и для общения особей одного вида. Так, угри могут общаться примерно на расстоянии 7 метров и привлекать других особей определенной серией электрических разрядов. Каким-то образом "переговариваются" электрическими сигналами и нильские слоники. Двух рыб поместили в один аквариум с перегородкой из марли, чтобы рыбы не могли видеть друг друга. В дневное время рыбы неподвижно лежали на дне, но посредством электродов, опущенных в воду, и переведения электрических колебаний на регистрирующие приборы удалось установить, что мормирусы посылают друг другу какие-то сигналы. Если одну из рыб трогали палочкой, она увеличивала импульсацию своих разрядов, а "слушающий" ее длиннорыл не оставался безучастным - он тоже увеличивал пульсацию своего электрического поля. Эти опыты проводил профессор Кембриджского университета Г. Лиссманн. Причем его дневные опыты подтверждались ночью. Рыбы всплывали, плавали вместе вдоль перегородки и "скрипели" электрическими полями.

Нильская щука, или гимнарх,- ночной хищник, достигающий в длину 1,6 метра, строит гнездо, куда откладывает крупные икринки диаметром до 1 сантиметра. Гимнарх охраняет территорию, где находится его гнездо, от других особей своего вида и по электрическим импульсам на достаточном расстоянии почти всегда узнает об их приближении. Перед нападением он производит особенно сильные разряды, чтобы предупредить пришельца, что территория занята. Так же ведут себя и нильские слоники. Если их помещают на одну территорию, они нападают друг на друга и пытаются откусить у противника хвостовой стебель, где сосредоточены электрические органы. В природе же "бой" идет только электрическими разрядами. Две мормириды становятся друг против друга и разряжают свои живые батареи, если силы их примерно равны. Если же одна рыба значительно сильнее другой, то она подавляет разряды противника, попросту говоря, не дает "сказать ему своего слова", и он, поняв это, отступает.

Очень своеобразно электрические дуэли проходят у южноамериканских рыб гимнотусов, обитающих в реках и достигающих в длину 60 сантиметров. Каждая такая рыба охраняет территорию, на которой питается. Площадь охраняемого участка примерно 0,4 квадратного метра, но участки не смыкаются друг с другом, а находятся на расстоянии 3 метров. Если сосед гимнотус приближается к участку ближе 2 метров, обладатель участка начинает посылать электрические сигналы, подкрепляя их оборонительными позами. Если соперник не реагирует на предупредительный сигнал, гимнотус издает боевой клич - короткий разряд - менее чем за 1,5 секунды. Поняв силу сигнала, приближающийся гимнотус не принимает сражения. От него поступает сигнал: разряд длительностью более чем 1,5 секунды. Вся эта проверка сил проходит беззвучно, в слабых электрических полях.

"Неэлектрические" рыбы, такие, как щуки, окуни, угри, тоже выясняют свои агрессивные отношения с помощью различных поз и электрических разрядов. Однако расшифровать значение электрических разрядов еще не удалось.

Кратко рассмотрев роль магнитных и электрических полей в ориентации, локации и передаче информации среди животных и устройство биоприборов на их основе, перейдем к "живым приборам", улавливающим электромагнитные поля.