Лето, море, пляж...
Вы купаетесь и ни о чем не подозреваете)))
И тут вдруг получаете разряд электрическим током!!!
Это электрический скат, который принял вас за своего противника и атаковал.
Но если вы думаете, что в пресных водах вам ничего не грозит, то там есть электрический угорь, который может ударить вас еще большим электрическим разрядом, потому что генерирует напряжение до 1300 В!
"Ничего себе начало!" - удивитесь вы началу этой статьи о редком электрическом явлении - ЭЛЕКТРОРЕЦЕПЦИИ.
В этой статье вы узнаете, как земные существа могут генерировать электричество, использовать его для ориентации, локации и защиты и не убить при этом себя! Также эта статья поможет понять, как работают химические источники электрического тока - батарейки и аккумуляторы!
Что такое электрорецепция?
Из Википедии:
Электрореце́пция — это способность ощущать электрические поля и электрические сигналы окружающей среды. Электрорецепция используется животными для охоты, биокоммуникации и ориентации, а также восприятия магнитного поля Земли.
Из Мегаэнциклопедии:
Электрорецепция – это способность животных воспринимать
электрические сигналы окружающей среды, в том числе генерируемые электрическими органами.
Мне больше нравится такое определение:
Электрорецепция - это способность животных принимать электрические сигналы окружающей среды, а также генерировать свои и использовать их для ориентации, коммуникации и защиты.
Да, электрический скат и электрический угорь – главные носители биологического электричества, т.е. электричества, генерируемого (вырабатываемого) живыми земными существами. Хотя, справедливости ради, они – не единственные.
Электрические способности в природе используют сомы, рыбы-ножи и даже некоторые виды акул.
Электрический угорь
Электрический угорь — абсолютный чемпион по вырабатываемой мощности.
Отдельные экземпляры этого представителя фауны могут генерировать напряжение до 1300 вольт и создавать разряд при силе тока около 1 ампера. В моменте это 1,3 кВт (ток - постоянный, переменной составляющей нет, поэтому именно киловатт)!
Это достаточно, чтобы оглушить взрослого быка, отпугнуть крокодила
или заставить человека потерять сознание в воде, с самыми опасными
последствиями.
Эволюция этого существа — пример того, как среда, темнота, мутная вода, хищники и необходимость охоты выковали из него биологическую электростанцию, способную не только защищаться электричеством, но и атаковать, «видеть» током и, возможно, общаться.
Электричество электрического угря
Оказывается, электрический угорь вырабатывает электрический ток с
помощью собственных мышц, прошедших сотни тысяч лет эволюции.
Если рассмотреть тело электрического угря изнутри, то половину всего объёма его тела занимают вовсе не обычные ткани.
Основная часть туловища состоит из трёх специализированных электрических органов: главного, охотничьего и навигационного. Они сформированы из видоизменённых мышечных клеток — электроцитов.
Каждый электроцит — это, по сути, биологическая батарейка, способная создавать разницу потенциалов и выдавать напряжение в 0,1 вольта.
Эти клетки собираются в большие последовательные цепочки, а механизм их работы запускается нервным импульсом!
Большие последовательные цепочки соединятся между собой параллельно, что сразу же наводит на мысль о полной аналогии с принципом работы созданных человеком электрических систем)
К примеру, чтобы собрать большое напряжение, нужно собрать последовательно много-много батареек. Таким образом, увеличивается напряжение, но ток будет постоянный, равный току одной батарейки. Чтобы увеличить ток, нужно эти последовательные цепочки сложить параллельно. Аналогичным образом построена работа электроцитов внутри тела электрического угря: большие последовательные цепочки электроцитов объединены параллельно.
Главный секрет – в количестве эритроцитов: таких «пластинок» у угря — до 6000, и расположены они по типу стопки монет.
Алесандро Вольта, тот самый изобретатель электрической батарейки и Вольтова столба, он как раз восхищался природным электричеством электрических угрей.
Конечно, он до конца не понимал, как это у них работает, но уже тогда он сделал предположение и собрал свой столбик из различных пластинок, высказав теорию о разном электрическом потенциале металлов.
Но как разделяются заряды?
У каждого электроцита есть особая мембрана — структура из белков и липидов, которая отделяет содержимое клетки от внешней среды.
Она пронизана калиевыми и натриевыми канальцами, и именно через нее ионы могут выкачиваться как наружу, так и вовнутрь.
В состоянии покоя на мембране клетки калиевые канальцы, которые пропускают только ионы калия, открыты. Благодаря этому на внешней стороне мембраны накапливается положительный заряд, а на внутренней — отрицательный. Когда к клетке по нерву приходит нервный импульс - своего рода электрический сигнал(!), из нейрона выделяется биологически активное вещество — нейромедиатор ацетилхолин. Он взаимодействует с рецепторами на мембране, которые открывают другие канальцы — натриевые, и внутрь клетки проходят ионы натрия.
В результате внешняя сторона мембраны получает отрицательный
заряд, а внутренняя — положительный.
Таким образом, с помощью нервных импульсов (а это как раз сигналы управления в наших системах автоматизации) к электроцитам, бывшим мышечным волокнам, прошедшим эволюцию, поступают сигналы о включении механизма ионных насосов, и осуществляется перекачка ионов туда-обратно.
Суть в том, что нервным импульсом угря, который спровоцирован внешним раздражителем или желанием поохотиться, мгновенно запускается этот механизм перекачки ионов в миллионах клеток одновременно.
Соответственно, миллионы клеток за долю секунды электризуются, вся эта цепь заранее уже соединена последовательно-параллельно, и вокруг тела угря образуется мощное электрическое поле.
Тот, кто попадает в это поле (неважно, обидчик или жертва), получает разряд, потому что в электрическом поле начинают двигаться ионы, которые имеются и в соленой воде, и в теле жертвы.
Кратковременно созданное такое электрическое поле начинает создавать ток по кратчайшему пути, сам скат или угорь изгибается таким образом, чтобы этот ток прошел через тело жертвы.
Когда электроциты активируются синхронно, суммарное напряжение достигает неприлично приличных значений. И все это запускается нервным импульсом, исходящим из головного мозга, и очень быстро.
Откуда берется первичная энергия?
Логичный вопрос, поскольку любой такой организм имеет ограниченный ресурс и нуждается в периодической "подзарядке".
Ответ прост и гениален: чтобы производить ток, нужен не только «механизм», но и энергетический ресурс.
Здесь все точно так же, как и у людей. Помните, что является энергией для наших мышц? А электроциты - это те же мышечные, только усовершенствованные клетки!
К примеру, тот же угорь питается преимущественно мелкими амфибиями, крабами, рыбками и беспозвоночными. Белки и жиры из пищи
перерабатываются в АТФ — аденозинтрифосфат — универсальную молекулу энергии, которая участвует во всех активных процессах в организме, в том числе в "зарядке" электроцитов.
Чем подвижнее и активнее организм, тем больше энергии он тратит ввиду ускорения метаболизма. А количество зарядов остается ограниченным. Поэтому на охоту, к примеру, угорь должен выходить хорошо покушав. Каждый удар током - это энергозатратный шаг, и ни угорь, ни скат просто так своими зарядами разбрасываться не будут, а только в случае охоты или защиты.
Почему они не убивают сами себя током?
Действительно, если вырабатываемый электрический ток угря настолько сильный, почему он не убивает самого угря?
Ответ кроется в уникальной изоляции и анатомической защите этих существ.
Кожа угря играет роль естественного изолятора, а нервные окончания настроены так, чтобы не воспринимать собственные импульсы как угрозу.
Некоторые исследователи сравнивают это явление с тем, как электрики работают в перчатках — только у угря «перчатки» встроены в тело.
При этом основное тело угря, а также сердце, мозг, лёгкие (у угря они тоже есть!) сконцентрированы возле головы.
А электрические органы расположены вдоль тела, там, где жизненно важных органов самой рыбы нет.
Когда угорь концентрирует в доли секунды в своих электрических органах электрический заряд, т.е. создает электрическое поле, по факту на его теле создаются "плюс" и "минус": у хвоста - положительный заряд, у головы - отрицательный.
Фактически с большого участка поверхности тела угря ток "стекает" к краям, а затем при изгибе - молниеносно "перетекает" в жертву.
Ток идет по телу угря с относительно большой площади: по "настроенным" эволюцией путям - многочисленным распределенным параллельным цепям. И имеет напряжение внутри, которое тоже делится на последовательные ячейки.
Жертва же находится в концентрированном месте пути тока и получает и большой ток, и высокое напряжение сразу. Она к этому не готова, и, попадая в процесс молниеносного удара электрическим током, получает паралич нервной системы и мышц.
Да, угрю ничего не стоит убить лошадь!
Но и это еще не все!
Тот же угорь испускает слабые импульсы постоянно.
Они как эхолот: отскакивают от дна, от камней, от других рыб. По этим импульсам угорь «видит» рельеф, определяет, где поверхность, а где прячется добыча. Он буквально чувствует пространство током, как мы — пальцами.
А когда дело доходит до охоты — начинается другая история. Угорь включает высокое напряжение. Подплывает, выстреливает разряд — и жертву парализует. Она дёргается, замирает, и угорь точно знает, где она. Более того, он может ударить дважды с короткой задержкой, чтобы повторно вызвать судороги и "прочитать" по движениям мышц, точно ли это конец. Практически хирургическая точность.
Ещё одна интересная деталь
Исследователи заметили, что угри иногда обмениваются короткими электрическими сигналами — разными по частоте и форме.
Пока никто точно не знает, что это значит. Возможно, они просто распознают «своих». А может быть, это и правда что-то вроде электрической беседы — пусть и на уровне простых фраз.
По итогу получается, что электрический ток для живого существа - это не магия и не трюк, это результат сложнейшей работы эволюции и инженерии на уровне молекул.
И это один из самых ярких примеров того, как природа опережает технологии человека!!!