Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 52
Текст из файла (страница 52)
В математике есть специальный раздел — теория вероятпостей, з котором 244 научаются случайные явления и процессы самой разной природы (подобно тому как теория колебаний изучает разные колеба тельные явления). К сожалению, с этим разделом математики совсем не знакомят в общеобразовательной школе (хотя знание ее основ необходимо не только математикам, но практически каждому специалисту; в частности, для биолога это один из самых важных разделов математики). Поэтому нам придется воспользоваться готовым результатом теории вероятностей, который применительно к нашему случаю выражается так: уровень шумов пропорционален у' и, где л — число рецепторных клеток. А теперь проведем простой расчет.
Пусть внешнее поле сдвинуло МП всех рецепторов на 1 мкВ, Тогда общий полезный сигнал всех рецепторов будет равен 2 000 неких единиц. Среднее значение шумового сигнала одного рецептора примерно 30 мкВ, но общий шумовой сигнал пропорционален у'2000, т. е. равен всего 1350 единицам. Мы видим, что за счет суммации аффекта от большого числа рецепторов полеаный сигнал в 1,5 раза превышает шум.
Видно, что сотней рецепторных клеток обойтись нельзя. А при отношении сигнала к шуму, равном 1,5, нервная система акулы уже способна атот сигнал обнаружить, так что никакого чуда не происходит. Мы говорили, что палочки сетчатки реагируют на возбуждение всего одной молекулы родопсина. Но такое воабуждение может возникнуть не только под действием света, но и под действием тепловых шумов. В результате высокой чувствительности палочек в сетчатке должны все время возникать сигналы «ложной тревогиз. Однако в действительности и в сетчатке имеется система борьбы с шумами, основанная на том же принципе. Палочки связаны между собой ЭС, что ведет к усреднению сдвигов их потенциала, так что все происходит так же, как в электро- рецепторах (только там усредняется сигнал в волокне„ получающем сигналы от многих рецепторов, а в сетчатке— прямо в системе рецепторов).
А еще вспомните обьединение через высокояроницаемые контакты спонтанно активных клеток сннусного уала сердца, дающее регулярный сердечный ритм и устраняющее колебания, присущие одиночной клетке («шум«). Мы видим, что природа широко использует усреднение для борьбы с шумами в разных ситуациях. Как ьте яшвотные используют свои электрорецепторыг О способе ориентации рыб в мутной воде мы подроб- нее поговорим в дальнейшем.
А вот акулы и скаты используют свои злектрорецепторы при поисках добычи. Эти хищники способны обнаружить скрытую под слоем песка камбалу только по электрическим полям, генерируемым ее мышцами при дыхательных движениях. Эта способ- Рис. 62. Испоаьаозанпе электрорецепторов акулой: а — акула нроплывает над камбалой, зарывшейся в песок, и нападает на вее; 6 — камбалу накрывают атаровой камерой, которая проводит ток так же, как морская вода, через камеру пропускают воду для дыхания камбалы, но вода вытекает в стороне, что исключает обнаружение камбалы по запаху, акула правильно обнаруживает камбалу; з — повторены условия опыта 6, по камера покрыта изолятором, акула проплывает мимо; а — в песке создается искусственное злектрическоо поле, имитирующее поле, вовникающее при дыхании камбалы, акула нападает на электроды ность акул была показана в серии красивых опытов, выполненных Келмином в 1971 г, (рис.
02), )Кивотное может затаиться и не двигаться, может маскироваться под цвет фона, но оно не может прекратить обмен веществ, остановить работу сердца, перестать дышать, поэтому его всегда демаскируют запахи (результат обмена веществ), а в воде — и электрические ноля, возникающие при работе сердца и других мышц. Так что многих хищных рыб можно назвать «электроищейками». Скаты могут обнару. жить крабов по их биопотенциалам, а сомы могут обнаружить даже электрополя, создаваемые закопавшимися в землю червями. Ученые начали изучать биопотенциалы мышц или сердца только в ХХ веке, чтобы лечить людей, а акулы используют зти электрические поля уже 200 ылп лет совсем в других целях.
ГЛАВА Н, МАСТЕР НА ВСЕ РУКИ До светла все у него пляшет, Лошадь вапряжет, полосу всйашет, Печь ватопит, все ааготовит, вакупкт, яичва испечет да саш я облупит. п.с, пв вскавка о попе и о работнике его Балде» Мы рассказали вам о многих функциях электричества в живых организмах. Но не думайте, что обо всех, Многое и многое не умещается в этой маленькой книге. В атой главе мы расскажем вам еще о некоторых функциях животного электричества, порой достаточно неожиданных, а также об использовании электрических явлений в медицине, Электрическое оружие и электролокаторы Нам уже не раз приходилось говорить об электрических рыбах. В гл. 1 мы уже рассказывали, что на нвх впервые достоверно установили возможность выработки электричества животными, на них Фарадей показал, что электричество животных ничем не отличается от электричества гальванических элементов или электрических генераторов.
Как же устроены электрические органы рыбу Основу этих органов составляют столбики из плоских клеток (рис. 63, а), лежащих друг на друге, как пары медь — цинк в вольтовом столбе или как стопка монет. К одной поверхности каждой клетки (на нашем рисунке — к нюкней) подходит нервное окончание. Когда орган находится в покое, обе стороны каждой клетки имеют одинаковый потенциал (ПП) и ток через орган не идет, Когда же по всем нервным волокнам одновременно приходят импульсы, постсинаптнческая (нижняя на рисунке) мембрана резко повышает свою проницаемость к ионам (еэлектрическая дыркав) и потенциал на ней падает до нуля.
Это приводит к возникновению тока, текущего через клетку (рис. 63, б). Все клетки столбика соединены последовательно и поэтому их потенциалы суммируются, как в последовательно соединенных гальванических элементах. Такое объяснение дал работе электрических органов рыб создатель мембранной теории биопотенциалов Ю. Бернштейн в своей книге «Электробиология». Это объяснение в своей основе оказалось верным, а для некоторых электрических рыб (например, для скатов и звездочетов) и вполне точным. Что касается электрического угря, то у него мембрана той стороны клетки, на которую действует синапс, оказалась электрически возбудимой, так что при приходе нервного импульса она не просто снинсает рнс.
бз. Принцип рзботы элсктрнческнх органов рыб: а — общее стрееяяе злектряческого органа; б — работа электрнческого оргэвэ скате (взерху — клетке в покое, внизу — состояние клетка в момент возбу,кдення; справа — график тока, генерируемого клеткой); в — работа клеток электрического органа угря свой потенциал до нуля, а перезаряжается, что обеспечивает более высокую разность потенциалов, генерируемую каждой клеткой (рис. 63, в). У скатов и звездочетов клетки элентрнческих органов таковы, что ни одна из их мембран не способна генерировать импульсы. Читатель уже знает, что одиночная клетка обладает ПП порядка 60 мВ и даже при возбуждении возникающий ПД имеет амплитуду всего порядка 120 мВ. Между темз электрический угорь умеет создавать напряжение 800— 900 В, а нильская щука и нильский сом — напряжение 200 — 350 В.
Как говорилось, это обеспечивается последовательным соединением многих клеток. У электрического угря последовательно соединены более 6 000 клеток, Однако задача электрического органа состоит не в том, чтобы создать взамен~но большую з.д.с. Дело в том, что часть з.д.с, всегда «теряется» на внутреннем сопротивлении источника. А электрический орган должен обеспечивать возможно ббльшую разность потенциалов в наруяной среде. Ясно, что чем ббльшую силу тока обеспечит алектрический орган, тем больше будет и падение напрян<ения в наружной среде, Рассмотрим эту проблему более подробно. Сила тока, создаваемого электрическими органами и текущего через воду, по закону Ома для всей цепи равна: 1 = Е/(Е + г). Если у нас имеется много гальванических элементов, то их можно соединить либо последовательно, либо параллельно, либо смешанным обрааом, образуя «столбики» иа последовательно соединенных вле.
ментов и соединяя зги «столбики» параллельно друг другу. Пусть в нашем распоряжении имеется ограниченное число элементов — и Пусть сопротивление наружной среды задано и равно Е, а внутреннее сопротивление элемента равно г и его з. д. с. равна Е. Как выгоднее соединить злементы, чтобы получить максимальную силу тока в цепи, а значит н максимальное падение напряжения на внешнем сопротивлении? Давайте будем соединять в один столбик х злементов, тогда число столбиков будет равно п(х. Общая з. д. с. такой системы будет равна Ех (последовательно соединено по х элементов).
Внутреннее сопротивление одного столбика будет равно гх, а полное внутреннее сопротивление всей системы в и/х раз меньше » Ф т. е. равно гх /и. Тогда для силы тока мы получим выраЕх жение У= +(„»,„. Это выражение имеет максимум, когда гх»~п = Е, т. е. когда внутреннее сопротивление всей системы равно внешнему. А теперь посмотрим, в какой мере законы физики влияли на ход звал»вцик злектрического органа. Для пресноводных рыб сопротивление окружающей среды (Л) весьма велико и для достижения максимального аффекта необходимо увеличивать х, т. е.
число последовательно соединенных элементов. Поэтому электрический угорь— обитатель болот Южной Америки — имеет злектрический орган, клетки которого в основном соединены последовательно (более 6 000 клеток), в то время как столбиков у него мало. Совсем другая ситуация у ската Торпедо, обитателя Средиземного моря, ведь сопротивление соленой морской воды относительно мало, И в злектрическом органе ската клетки соединены совсем иначе: последовательно соединены всего 400 клеток, авто число параллель но соединенных столбиков велико (более 500).
В реаультате электрический орган ската создает силу тока порядка 50 А, так что падение напряжения даже в соленой воде оказыяается достаточно заметным, порядка 50 В. Таким образом, общий ход эволюции электрических органов вполне соответствует ожиданиям фиаика. Мы видим, что морским алектрическим рыбам важно сделать внутреннее сопротивление своего генератора как можно ниже, для атого они и соединяют так много столбиков параллельно.
Но есть и еще один способ снизить зто сопротивление — снизить сопротивление мембран каждой клетки. Оказывается, эволюция использует и этот способ. У одной мембраны клеток органа, той,на которой находится синапс, сопротивление при возбуждении становится низким, так как в ней открываются многочисленные ионные каналы, а сопротивление противоположной мембраны тоже относительно невелико за счет ее большой площади: она вся покрыта складками, выростами и т. д. (обычный способ клеток создать большую поверхность).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
