Как черноморский катран находит добычу в темноте: электрорецепция без мифов

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.

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.

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.