Электрические угри и скаты: как животные вырабатывают электричество

Секрет электрических рыб — электроциты, особые клетки, которые появились из мышечных клеток в ходе эволюции. В отличие от обычных мышц они почти не сокращаются, а вырабатывают небольшой заряд.

Электроциты расположены длинными рядами, словно стопки монет. Каждый из них создаёт совсем небольшую разность потенциалов, но в электрическом органе таких клеток тысячи. Когда нервная система одновременно подаёт им сигнал, их заряды складываются в мощный импульс. Чем больше электроцитов соединено друг за другом, тем выше напряжение, а чем больше таких рядов расположено рядом, тем больше сила тока.

Электрические органы независимо появились как минимум у шести эволюционных линий рыб. Это пример конвергентной эволюции — процесса, при котором разные группы животных независимо приобретают похожие полезные приспособления.

Несмотря на название, электрический угорь — не настоящий угорь. Это пресноводная рыба из Южной Америки, относящаяся к отряду гимнотообразных. Почти 80% её тела занимают электрические органы, поэтому она способна создавать самые мощные разряды среди всех известных электрических рыб.

Сегодня учёные выделяют три вида электрических угрей. Рекорд принадлежит виду Electrophorus voltai: его разряд достигает 860 вольт. Это почти в четыре раза больше напряжения в обычной европейской розетке, хотя сравнивать их напрямую нельзя — опасность электрического удара определяется не только напряжением, но и силой тока, длительностью импульса и другими факторами.

Электрические органы угря

За выработку электричества отвечают три органа:

• Главный орган создаёт мощные высоковольтные разряды, которые помогают во время охоты и защищают от хищников.
• Орган Сакса вырабатывает слабые электрические сигналы. С их помощью рыба ориентируется в пространстве, распознаёт препятствия и может общаться с другими особями.
• Орган Хантера генерирует разряды средней мощности. Учёные предполагают, что они тоже участвуют в электролокации, но точная роль этого органа пока остаётся предметом исследований.

Благодаря этим органам угорь использует электричество не только как оружие, но и как своеобразный «радар», который помогает ему ориентироваться в мутной воде и находить добычу.

Почему угорь не бьёт себя током

На первый взгляд кажется, что электрический угорь должен страдать от собственных разрядов. Но этого не происходит. Точного ответа на вопрос, как он защищает себя от электричества, у учёных пока нет. Исследования показывают, что защиту обеспечивает сразу несколько особенностей строения и поведения этой рыбы.

Жизненно важные органы — мозг, сердце и жабры — находятся в передней части тела, на расстоянии от электрических органов. Кроме того, во время охоты и защиты угорь меняет положение тела так, чтобы разряд действовал на добычу или источник опасности максимально эффективно. Учёные продолжают изучать этот механизм, но уже сейчас ясно, что такая защита — результат длительной эволюции.

Скаты и электрические угри — не близкие родственники. Их электрические органы появились независимо друг от друга, хотя работают по одному принципу — благодаря электроцитам.

Самые известные представители этой группы — электрические торпеды. Их электрические органы расположены по бокам головы между жабрами и грудными плавниками. У разных видов сила разряда различается: например, у крупной атлантической торпеды напряжение может достигать 220 вольт.

Электрический разряд помогает торпедам охотиться и защищаться. Они оглушают добычу, не вступая с ней в долгую схватку, и отпугивают хищников. Кроме того, как и другие хрящевые рыбы, электрические скаты обладают электрорецепторами — специальными органами чувств, которые улавливают слабые электрические поля. Благодаря им рыба может обнаружить добычу, даже если она полностью скрыта под песком.

Встретить электрических рыб в природе большинству людей вряд ли доведётся. Но вопрос, насколько опасен их разряд, возникает почти у каждого.

Электрический угорь способен создавать очень высокое напряжение, но опасность зависит не только от него. Важны также сила тока, длительность импульса и путь, по которому он проходит через тело.

Один импульс длится около 1–2 миллисекунд, поэтому обычно не вызывает ожогов. Гораздо опаснее серия быстрых разрядов: они вызывают сильные непроизвольные сокращения мышц, из-за которых человек в воде может потерять способность двигаться и утонуть. Прямые смертельные случаи крайне редки и обычно связаны именно с утоплением.

Электрические торпеды используют разряд главным образом для защиты. Если случайно наступить на такую рыбу или взять её в руки, она может мгновенно ударить током. Напряжение у разных видов обычно ниже, чем у самых мощных электрических угрей. Тем не менее разряд может вызвать резкую боль, мышечные спазмы и временную потерю контроля над конечностью. Поэтому при дайвинге или купании в местах обитания электрических скатов лучше не трогать их и соблюдать безопасную дистанцию.

Электричество помогает этим рыбам выживать и выполнять сразу несколько важных задач.

• Охота. Мощный разряд быстро обездвиживает добычу, поэтому рыбе не приходится долго её преследовать или вступать в опасную схватку.
• Защита. Электрический удар отпугивает хищников и помогает избежать нападения.
• Ориентация. Слабые электрические сигналы позволяют ориентироваться в мутной воде, где зрение почти бесполезно. Рыба создаёт вокруг себя электрическое поле и улавливает изменения, которые возникают при появлении препятствий или других животных. Этот способ «видеть» окружающий мир называется электролокацией.
• Общение. У некоторых видов слабые электрические сигналы служат ещё и для обмена информацией между особями — например, помогают узнавать друг друга или искать партнёра в период размножения.

Слабые электрические органы есть у многих представителей гимнотообразных и мормировых рыб. Их разряды слишком слабы, чтобы оглушить добычу, зато помогают ориентироваться в воде и общаться с сородичами.

Ещё больше животных способны воспринимать электрические поля. Например, акулы, скаты и химеры используют специальные органы чувств — ампулы Лоренцини. Они улавливают слабые биоэлектрические сигналы мышц и нервной системы, благодаря чему хищники могут обнаружить добычу, даже если она полностью скрыта под песком.

Электрические угри и скаты — один из самых необычных примеров того, как эволюция использует законы физики для выживания. Они превратили слабые биоэлектрические сигналы, которые есть почти у всех животных, в эффективный инструмент для охоты, защиты и ориентации.

Изучая электрические органы этих рыб, учёные не только лучше понимают работу живых организмов, но и ищут идеи для новых технологий. История электрических рыб напоминает, что самые удивительные изобретения иногда уже давно существуют в природе.