Посещений:
Шестое Чувство

Акулы

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЧУВСТВО У АКУЛ
Дуглас Филдс
В Мире Науки [01], C.75- , 2008
Угрожающий плавник прорезал поверхность моря и молниеносно заскользил к нам. Трехметровая синяя акула (Prionace glаuca) устремилась на запах крови подобно торпеде. Когда мы наблюдали

Акула способна обнаружить одну миллионную долю вольта на сантиметр морской воды. Такой градиент потенциала могла создать полуторовольтовая пальчиковая батарейка, один конец которой был погружен в море в проливе Логн-Айленд, а другой - в водах около Джэксонвилла в штате Флорида


хищниками, кружащими вокруг семиметровой лодки Boston Whaler, серебристо-голубое рыло неожиданно высунулось из квадратного отверстия в палубе. Мы оба инстинктивно отшатнулись, хотя были в полной безопасности. Акула показала нам свои зубастые челюсти и скользнула обратно в воду. Мы вышли в море для того, чтобы приступить к изучению загадочного "шестого чувства" у акул. В лабораторных экспериментах было показано, что эти рыбы способны ощущать чрезвычайно слабые электрические поля - наподобие тех, что производит живая клетка в морской воде. Однако требовались доказательства того, что они действительно пользуются данным
До 1970-х гг. ученые даже и не подозревали, что акулы способны ощущать слабые электрические поля. Сейчас мы знаем, что электрорецепция помогает им находить пищу даже когда обычные пять чувств - зрение, обоняние, вкус, осязание и слух - становятся бесполезными. Электрорецепция работает в мутной воде, в полной темноте и даже помогает обнаружить жертву, зарывшуюся в песок.

Тайное чувство


В 1678 г. итальянский анатом Стефано Лоренцини (Stefano Lorenzini) описал у акул поры, которые усеивают переднюю часть их головы и придают им несколько "небритый" вид. Он отметил, что поры концентрируются вокруг рта рыбы, и обнаружил, что каждое отверстие ведет в длинную трубочку, заполненную прозрачным гелем. Некоторые из них - тонкие и короткие, в то время как другие достигают толщины спагетти и тянутся на несколько сантиметров. Лоренцини обнаружил, что глубоко в тканях головы эти трубочки сходятся в несколько больших полостей, заполненных прозрачным желе. Он рассмотрел и отверг возможность того, что поры являются железами, выделяющими слизь. Позднее он предположил, что они могут иметь другую, "более скрытую" функцию, однако их настоящая роль продолжала оставаться неясной на протяжении нескольких
Назначение пор стало чуть более понятным в середине XIX в., когда исследователи начали разгадывать функцию так называемой боковой линии - органа, который имеет некоторое сходство с системой пор и трубочек, открытых Лоренцини. Боковая линия представляет собой полоску, проходящую по боковой стороне тела многих рыб и амфибий от жабр до хвоста, и предназначена для детекции движения воды. У рыб она состоит из специализированного ряда перфорированных чешуек, каждая из которых открывается в трубку, идущую под кожей вдоль всего тела. В расширениях, располагающихся по длине трубки, находятся чувствительные волосковые клетки (тончайшие выросты или реснички), которые обращены в полость трубки наподобие щетки.
Слабейшие движения воды, возникающие, например, когда другая рыба плывет на расстоянии одного метра, сгибают реснички подобно тому, как по пшеничному полю гуляют волны от ветра. При этом по нервам передаются импульсы, сообщающие мозгу о силе и направлении движения
К концу XIX в. с помощью новых усовершенствованных микроскопов было обнаружено, что поры на рыле акулы и необычные структуры под ними, которые мы

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Акулы и родственные им рыбы обладают редкой способностью ощущать чрезвычай- но слабые электрические поля, возникающие в воде вокруг живых организмов.

Это чувство обеспечивается уникальными электрорецептивными образованиями, названными ампулами Лоренцини в честь впервые описавшего их анатома XVII в.

Акулы используют свое "шестое чувство" для того, чтобы точно нацеливаться на добычу в заключительной фазе нападения. Роль электрорецепции в других видах поведения пока остается не изученной.
Акулы и родственные им виды ощущают чрезвычайно слабые электрические поля, генерируемые другими животными в морской воде, благодаря сотням или даже тысячам специализированных детекторов на рыле, называемых ампулами Лоренцини (a). Электрическое поле проводится по хорошо изолированным каналам (b), которые заполнены гелем и тянутся от поверхности кожи к луковицеобразным ампулам (c), выстланным одним слоем чувствительных клеток (d). Эти клетки, реагирующие даже на незначительные изменения электрического заряда геля в канале,в свою очередь активируют нервы, по которым в мозг отправляется информация о присутствии электрического поля

называем ампулами Лоренцини,представляют собой сенсорные органы. Каждая трубочка заканчивается карманом в форме луковицы, или ампулой, от которой отходит тонкий нерв, соединяющийся с другим нервом, идущим от боковой линии. Ученые проследили ход этих нервов до основания черепа, где они попадают в мозг через дорсальную поверхность продолговатого мозга. Внутри каждой ампулы был выявлен одинарный слой крошечных волосковых клеток, сходных с аналогичными клетками внутреннего уха человека и боковой линии рыб. Однако оставалось не ясным, какие же стимулы воспринимаются с помощью данных органов.

Электрорецепция подтверждена


Исследователи столкнулись с проблемой: как определить функцию совершенно чуждого нам органа? В конце концов, благодаря сочетанию хорошей аппаратуры и богатой фантазии решение было найдено. В 1909 г. биолог Г.Х. Паркер (G.H. Parker) из Гарвардского университета удалил у морских собак кожу вокруг отверстий, соединявших ампулы с окружающей средой. Он обнаружил, что несмотря на операцию рыбы реагировали на легкое прикосновение к трубкам. Наличие такой реакции могло свидетельствовать о том, что благодаря этим органам они способны ощущать движение или давление воды. (В конце концов, наличие рефлекторной реакции на удар в глаз вовсе не означает, что этот орган развился специально для того, чтобы воспринимать неожиданные тычки).
В 1938(Alexander Sand) из Морской биологической ассоциации в Плимуте, Великобритания, удалось усилить и записать нервные импульсы, идущие от ампул Лоренцини в мозг. Он обнаружил, что импульсы направлялись непрерывным потоком, но определенные стимулы резко повышали или снижали их частоту. Сэнд, как и Паркер, отметил, что эти органы отвечают на прикосновение и давление, а при охлаждении частота разряда повышается. Ампулы Лоренцини оказались настолько чувствительны к температуре, что могли воспринимать изменения во внешней среде всего на 0,2° C. Тогда исследователи решили, что эти органы являются тепловыми




В начале 1960-х гг. биолог Р.У. Мюррей (R.W. Murray) из Бирмингемского университета в Англии повторил эксперименты Сэнда с помощью современных электрофизиологических приборов и подтвердил наличие реакций на изменения температуры и давления, а также на прикосновения. Однако он заметил, что исследуемые органы чувствительны к слабым изменениям солености воды. Когда он случайно создал электрическое поле около места выхода трубки, соединяющейся с ампулой, паттерн разряда изменился. Более того, импульсация менялась в соответствии с интенсивностью и полярностью поля. Если к отверстию

РЫБЫ С ШЕСТЫМ ЧУВСТВОМ

ПОМИМО АКУЛ АНАЛОГИЧ- НЫМИ АМПУЛЯРНЫМИ ЭЛЕКТРОРЕЦЕПТОРАМИ ОБЛАДАЮТ И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ РЫБЫ

ОБЫКНОВЕННЫЕ СКАТЫ

в поисках пищи планируют на своих грудных плавниках над морским дном

РЫБА-ПИЛА

имеет пилообразный рострум (вырост верхней челюсти), покрытый порами, которые чувствительны к движению и к электрическим полям. Это позволяет рыбе находить пищу на океанском дне под слоем песка

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СКАТЫ

обладают органами, способными произвести электрический разряд, оглушающий жертву

ОСЕТРЫ

пользуются своим клинообразным рострумом и чувствительными усами для поиска пищи в донном иле

ДВОЯКОДЫШАЩИЕ РЫБЫ

способны дышать воздухом и приспособлены к жизни в мутной пресной воде


положительный полюс, частота разряда снижалась; если же ближе оказывался отрицательный полюс, разряд становился более частым. Поразительно, но, согласно данным Мюррея, эти органы способны реагировать на очень слабое поле - всего в одну миллионную долю вольта на сантиметр морской воды. Примерно такой же градиент потенциала могла бы создать полуторавольтовая пальчиковая батарейка,один конец которой был бы погружен в море в проливе Лонг-Айленд, а другой - в водах около Джэксонвилла в штате Флорида. Теоретически, акула, плавающая между этими двумя точками, могла бы с легкостью определить, включена батарейка или выключена. (Проведенное позднее исследование реакций в мозге показало, что эти хищники могут различать всего 15 миллиардных долей вольта.) Ни одна другая ткань, орган или животное не обладают подобной чувствительностью к электричеству. Даже инженерам, вооруженным современным оборудованием, сложно измерять столь слабые поля в морской воде.

В поисках функции


Почему акулы ощущают слабые электрические поля? Ответить на этот вопрос помогли проводившиеся ранее исследования "биоэлектричества" других рыб. Например, электрические угри поражают свою жертву сильным ударом электрического тока, вырабатываемого специализированным органом. Однако некоторые другие виды рыб, видимо, специально, генерируют значительно более слабые электрические поля, слишком безобидные, чтобы служить оружием. Эволюция данных органов, кажущихся бесполезными, озадачила в свое время даже Чарлза Дарвина, пытавшегося разгадать биологическую загадку в "Происхождении
Зоолог Ганс Лиссманн (H.W. Lissmann) из Кембриджского университета совместно с другими учеными в 1950-х гг. обнаружил, что рыбы, генерирующие электрическое поле, способны его и
Их сенсоры (бугорковые рецепторы) значительно отличаются от ампул Лоренцини: у них отсутствуют длинные трубочки и они не столь чувствительны к электрическим
Действуя совместно, электрические органы и бугорковые рецепторы функционируют как излучатель и приемник радара. Такая система чрезвычайно полезна, скажем, при передвижениях в мутной воде Амазонки или при охоте в ночное время. Объекты в воде искажают форму излучаемого электрического поля, бугорковые рецепторы улавливают разницу и тем самым позволяют обнаруживать
Акулы и скаты не имеют специализированных органов для создания электрического поля. Исследователи предположили, что чрезвычайно чувствительные ампулы Лоренцини работают как пассивный радар, определяя слабейшие электрические поля, которые возникают в окружающей среде естественным образом - примерно так же, как прибор ночного видения позволяет разглядеть ночное поле боя, усиливая слабый свет звезд. Возможно, эти животные ощущают быстрые и слабые формы биоэлектричества, подобные электрическим волнам мозга или потенциалам, возникающим при со- кращении сердца. Казалось маловероятным, что с помощью ампул Лоренцини акулы обнаруживают электрические импульсы длительностью всего в несколько тысячных долей секунды. Скорее наоборот, эти органы способны воспринимать лишь медленно изменяющиеся электрические поля, подобные тем, которые возникают в
Такой вариант восприятия также может иметь смысл, поскольку все клетки организма по своей природе подобны батарейкам. Потенциал возникает в том случае, когда два различных раствора солей оказываются разделены в электрохимической ячейке. Противоположные заряды притягиваются, и возникающее при этом движение зарядов

Акулы были не первыми рыбами, воспринимавшими электрические поля. Ранее эту способность имели их давно вымершие предки. В начале своих исследований меня заинтересовало, обладает ли электрорецепцией диковинная рыба, произошедшая от тех же давно исчезнувших видов, - примитивный житель глубин океана, называемый химерой. Впервые я столкнулся с этими странными рыбами в конце 1970-х гг. на коммерческом рыболовном траулере, будучи студентом Морской лаборатории в Мосс-Лендинге в Калифорнии. Химеры имеют большие передние зубы, которые не позволяют рту плотно закрываться. Такая особенность и большие глаза делают их немного похожими на кролика или крысу. Поскольку химера не имеет никакой коммерческой ценности, капитан позволил мне взять ее домой для исследования. Вскоре я заметил, что пространство внутри ее головы между кожей и мышцами заполнено прозрачной желеобразной массой. Направив свет, я увидел переплетение прозрачных, заполненных гелем трубочек, расходившихся к порам на поверхности головы, которые напоминали ампулы Лоренцини у акул. Я подумал, что химеры тоже обладают подобными органами. Для подтверждения данного предположения мне нужно было поймать неповрежденный экземпляр и содержать его живым во время экспериментов. Я обратился за помощью к командам коммерческих рыболовных судов, бороздящих воды залива Монтерей. Одним туманным утром корабль "Холидей-II" доставил мне живую химеру. Вернувшись в лабораторию, я поместил рыбу в аквариум кольцевой формы, в котором непрерывно циркулировала морская вода (рис.). Центр кольца был достаточно просторным, чтобы я мог стоять посередине и наблюдать, как рыба плавает против течения воды (предпочитаемое ими направление). Вскоре я понял, что данная склонность химеры поможет ответить на мои вопросы. Сначала я зарыл электроды в песок. Когда рыба проплывала над ними, я включал электрическое поле и одновременно слегка дотрагивался до рыбы стеклянной палочкой, заставляя ее разворачиваться и плыть по течению воды. Вскоре она вновь выбирала свое любимое направление. Я предположил, что если химера способна ощущать слабое электрическое поле, то начнет ассоциировать его с досаждающей ей стеклянной палочкой. В таком случае она бы сама поворачивала сразу, как только я щелкну выключателем. Если животное так бы этому и не научилось, то это означало бы, что либо оно не может ощущать слабые электрические поля, либо неспособно к обучению. Наконец я добился искомого результата. Я нажимал на выключатель, и химера сразу же изменяла направление движения. Она чувствовала электрическое поле и усвоила закономерность сочетания стимулов. С тех пор каждый раз, как только я включал электрический стимул, рыба поворачивала, однако проплывала над теми же электродами без малейших колебаний при выключенном поле. Изменяя интенсивность и частоту поля, я обнаружил, что химеры могут с легкостью воспринимать поля столь же слабые, как и те, которые образуются вокруг тела рыб в морской воде. Итак, эксперимент показал, что химера способна воспринимать слабые электрические поля. Однако еще требовались доказатель- ства того, что рыба использует те же структуры, которые напомина- ют ампулы Лоренцини. Мы вместе с электрофизиологом Дэвидом Лэнджем (David Lange) из Скриппсовского института океанографии приступили к изучению данного вопроса. Повторяя подход, приме- ненный Александром Сэндом (Alexander Sand) в 1938 г., мы регист- рировали активность нервов, идущих от ампул. Когда от этих таин- ственных органов в мозг устремлялся нервный импульс, по экрану осциллографа проносилась зеленая фосфоресцирующая волна, и в громкоговорителе раздавался громкий щелчок. Пока рыба мирно спала под наркозом, частота разряда нерва слегка пульсировала в такт с дыханием. Однако когда около места выхода поры на поверхность мы создавали электрическое поле, лаборатория немедленно наполнялась громким треском, отражающим поток нервных импульсов, бегущих в мозг. Затем мы сделали электрическое поле пульсирующим, и импульсы четко следовали за ним, будто морские пехотинцы на параде. Изменяя полярность, мы показали, что отрицательный полюс возбуждает орган, в то время как положительный - тормозит. Теперь уже не оставалось сомнений в том, что химеры обладают электрорецепторами. Дальнейшие исследования показали, что электрочувствительные органы этих рыб идентичны таковым у акул.


создает электрический ток. Аналогично живые клетки организма содержат солевой раствор, отличающийся по составу от морской воды, что порождает на границе между ними электрический потенциал. Следовательно, тело рыбы в морской воде действует как батарейка, создающая вокруг себя электриче- ское поле (причем оно медленно колеблется, когда рыба прокачивает воду через
В 1970-х гг. биолог Адрианус Калмийн (Adrianus Kalmijn) из Скрип- псовского института океанографии, воспользовавшись электронным усилителем, показал, что животные,находящиеся в морской воде, излучают вокруг себя биоэлектрическое поле, которое со временем незначительно меняется или же остается неизменным. Ученый также обнаружил, что в неволе акула находит и атакует электроды, зарытые в песок на дне аквариума, - при условии, что они генерируют электрические поля, имитирующие излучение от обычной добычи хищника.

Электрорецепция на свободе


Показать, что рыбы с ампулами Лоренцини реагируют на электрические поля в контролируемых лабораторных условиях, - одно дело, однако еще необходимо определить, используют ли они это чувство в привычной для них среде обитания, и если да, то как именно. Такая задача непроста отчасти потому, что слабые электрические сигналы от добычи возникают на фоне электрического шума, обусловленного природными явлениями - соленостью, температурой, током воды, кислотностью и т.д. В океанской воде даже кусок металлической проволоки создает потенциал, легко улавливаемый
Для того чтобы посмотреть, как рыбы применяют эту сенсорную способность в природе, в том числе во время охоты, мы должны были наблюдать за ними в море - поэтому мы и оказались в небольшой лодке из стеклопластика (а не из металла)с квадратным отверстием в
Выйдя в море, мы опустили Т-образный аппарат с электродами на концах через квадратный вырез и бросили в воду рыбный фарш. Затем подали на электроды ток, чтобы сымитировать электрические поля, создаваемые рыбами, служащими обычной добычей акул. Один из нас активировал электроды по очереди в случайном порядке, в то время как другой (не зная, какой именно электрод активирован в данный момент) наблюдал за поведением акул. Если бы животные преимущественно атаковали активированный электрод, то мы бы получили подтверждение того, что они пользуются своим электрическим чувством при
В первую ночь гигантская голубая акула кружила поблизости от лодки, а затем ринулась на запах рыбного фарша. Она плыла прямо на источник запаха и в последний момент резко приняла вправо, схватив зубами правую штангу нашего аппарата, после чего резко дернулась и отпустила ее. В последний момент нападения хищник перестал обращать внимание на приманку и принялся кусать активированный электрод. Мы наблюдали множество подобных атак, в которых животные явно отдавали предпочтение активированному электроду по сравнению с неактивированным, а также с источником пищевого
В последние моменты нападения электрорецепция для акулы имеет даже большее значение, чем воздействие на системы обоняния и вкуса. Данное открытие может объяснить некоторые наблюдения, сделанные во время реальных случаев нападения этих рыб на людей. Сообщалось о том, что жертва акул подвергалась повторным атакам,в то время как хищник совершенно игнорировал другого человека, занятого буксированием пострадавшего. Акула теряет след своей первоначальной жертвы, когда кровь нарушает ее зрительное и обонятельное восприятие. Именно электрорецепция позволяет ей видеть сильные электрические поля, возникающие из-за разницы в солевом составе морской воды и крови, вытекающей из раны
Во время охоты акулы используют все органы чувств, у каждого из которых есть свои преимущества и особенности восприятия (врез ка на противоположной стр.). Обоняние и слух необходимы для обнаружения жертвы на больших расстояниях. Зрение, чувство боковой линии и вкус важны на более коротких дистанциях. Однако в последней фазе атаки, когда акула приближается к своей добыче примерно на

МАГНИТНЫЕ РЕПЕЛЛЕНТЫ? Ученые ищут способ отгонять акул от рыболовных снастей и даже от пловцов, нарушая работу их чувствительных электрорецепторов с помощью сильных магнитов. Идея состоит в том, чтобы сбить с толку электрорецепторы акулы, вызывая генерацию электрического поля внутри них при перемещении в магнитном поле. "Наша цель - спасти акул, а не людей", - объясняет Сэмюэл Гра- бер (Samuel Gruber), морской биолог из Университета Майами. По оценкам Всемирного фонда дикой природы, 20% видов этих хищни- ков находятся под угрозой исчезновения. "Если укрепить такие уст- ройства на коммерческих орудиях лова, то они помогут спасти 50 тыс. акул за одну ночь", - говорит Грабер.


ОБ АВТОРЕ

Дуглас Филдс (R. Douglas Fields) - нейробиолог, работает в системе Нацио- нальных институтов здоровья, имеет степень магистра в Морской лаборатории в Мосс-Лендинге в Калифорнии, а также докторскую степень в области биологи- ческой океанографии в Скриппсовском институте океанографии. Филдс исследу- ет акул, а в свободное от работы время занимается скалолазанием, подводным плаванием и изготовлением гитар.

1 м, электрорецепция позволяет ей точно засечь местонахождение жертвы и правильно сориентировать на нее свои челюсти. Это открытие, возможно, когда-нибудь позволит создать устройства, отпугивающие акул от пловцов. Несомненно, акулы, обладая электрорецепцией, используют ее и для других целей. Мы можем лишь догадываться, как они воспринимают мир с помощью такого странного и совершенно чуждого нам чувства

Перевод: Б.В. Чернышев ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

The Electric Sense of Sharks and Rays. A.J. Kalmijn in Journal of Experimental Bi- ology, Vol. 55, pages 371-383; 1971.
Electroreception in the Ratfish (Hydrola- gus colliei). R.D. Fields and G.D. Lange in Science, Vol. 207, pages 547-548; 1980.
Ampullary Sense Organs, Peripheral, Central and Behavioral Electroreception in Chimaeras (Hydrolagus, Holocephali, Chondrich-thyes). R.D. Fields, T.H. Bull- ock and G.D. Lange in Brain, Behavior and Evolution, Vol. 41, pages 269-289; 1993.
Сайт создан в системе uCoz