Как черноморский катран находит добычу в темноте: электрорецепция без мифов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

На глубине, куда не проникает свет, классическое зрение бесполезно. Камбала или бычок могут зарыться в ил и не двигаться — слух и обоняние тут тоже не помогут. Тем не менее акула катран (Squalus acanthias) атакует такую добычу с точностью до нескольких сантиметров. Механизм — пассивная локация электрических полей. Катран регистрирует нановольтные или микровольтные искажения, которые создаёт работа нервной и мышечной систем жертвы в солёной воде.

Сенсорная сеть: ампулы Лоренцини

На голове и рыле катрана расположены поры, ведущие в заполненные гелем каналы. Концы этих каналов расширены и образуют ампулы Лоренцини. Плотность пор максимальна на нижней стороне рыла, перед пастью — это связано с быстрым затуханием электрического поля с расстоянием (пропорционально кубу расстояния от источника).

Каждый канал электрически изолирован стенками из двух слоёв клеток с плотными контактами, что предотвращает утечку тока. Внутренний гель доставляет потенциал от поры к рецепторным клеткам в ампуле. Внутренняя среда тела акулы служит опорным электродом. Разница потенциалов между внешней водой и телом меняет частоту нервных импульсов, идущих в мозг.

Автор: Andy Murch / Лицензия: CC BY-SA 4.0 Источник: commons.wikimedia.org

Физико-химия геля: не полупроводник, а протонный проводник

Долгое время считалось, что гель в ампулах Лоренцини обладает полупроводниковыми свойствами. Исследование Вашингтонского университета (2016) показало: это гидрогель сложного состава (содержащий, в частности, кератансульфат, который, предположительно, вносит вклад в его свойства), и его проводимость — ионная, преимущественно протонная. Измеренная проводимость геля — около 2 мСм/см (с погрешностью +-1). Это один из самых высоких показателей среди биологических материалов. Для сравнения: чистый кератансульфат даёт около 0.5 +- 0.11 мСм/см (что характерно и для других гликозаминогликанов, например дерматан-сульфата или хондроитин-сульфата), то есть высокую проводимость обеспечивает именно сложный состав геля, а не только один полимер.

Чувствительность и ограничения

Поведенческие эксперименты показывают, что акулы реагируют на градиент электрического поля от 0.005 мкВ/см (5 нВ/см). Это соответствует напряжённости, создаваемой жабрами или сердцем рыбы. В толще воды рабочий радиус электрорецепции редко превышает 30-50 см — сигнал быстро затухает из-за высокой проводимости морской воды и тонет в тепловых шумах. Диапазон частот, к которому наиболее чувствительны ампулы Лоренцини: от постоянного тока (DC) до примерно 20 Гц, с оптимумом в 5-10 Гц. Это как раз частоты дыхательных и локомоторных движений рыб.

Автор: Doug Costa, NOAA/SBNMS / общественное достояние Источник: commons.wikimedia.org

Уязвимости

Система пассивна, не имеет регулируемого порога чувствительности. Сильные антропогенные поля могут создавать ложные цели — например, гальванические пары на корпусах судов привлекают акул, тогда как очень сильные поля с частотой выше определённого порога, наоборот, отпугивают их. Подводные кабели, однако, создают слишком слабое поле для обнаружения на расстоянии. Известны случаи, когда акулы атаковали металлические предметы, создающие токи в солёной воде.

Дополнительная функция: магнитный компас

Та же сенсорная система позволяет катрану ориентироваться по геомагнитному полю. При движении акулы в магнитном поле Земли в её теле и в окружающей воде возникает индуцированное электрическое поле (эффект движения проводника в магнитном поле). Напряжённость этого поля составляет порядка 0.5 мкВ/м — достаточно, чтобы быть зарегистрированной ампулами Лоренцини. Меняя направление движения, катран по полярности сигнала определяет своё положение относительно магнитных силовых линий.

Изображение в превью:
Автор: Andy Murch / Лицензия: CC BY-SA 4.0
Источник: commons.wikimedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Интересуюсь технологиями и рассказываю о них вам.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как небольшой Тайвань стал мировым центром производства чипов

Компания может разработать процессор, годами продавать его под своим именем и при этом не иметь ни одного завода, способного его изготовить. За производством она обратится к специализированной...

✦ ИИ  Зачем в мороженое добавляют воздух

В шарике мороженого воздуха может быть примерно половина объёма — его вводят туда специально. Пузырьки участвуют в создании привычной лёгкой текстуры, поэтому их присутствие само по себе...

Покадровая съемка электронов впервые показала, как свет вызывает квантовые переходы в графене

Скорость работы современной компьютерной техники уперлась в фундаментальное физическое ограничение. Тактовая частота серийных кремниевых процессоров уже два десятилетия держится на уровне...

Ученые вырастили организм, от которого произошла вся сложная жизнь. Внутри него не оказалось органов

Все живые существа на Земле делятся на две принципиально разные группы.К первой относятся бактерии и археи. Их клетки устроены относительно просто: внутри нет изолированных отсеков, а генетический...

Где в мозге находится сознание и почему ученые десятилетиями искали его не там

В каждую секунду глаза передают в мозг огромный объем зрительной информации, но человек осознает лишь малую ее часть. Остальные сигналы обрабатываются без участия сознания. Чтобы понять, чем...