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

Я думала, микроволновка спасает время при разморозке — и лишь недавно узнала, почему мясо получается сухим и опасным

Думала, что режим Defrost в микроволновке спасает время. Оказалось, я не только портила вкус и делала мясо жестким, но и устраивала «курорт» для бактерий. Теперь я знаю, как размораживать правильно.

Зачем на старых пультах телевизоров была кнопка AV/TV и почему она почти исчезла

На старых телевизорах была одна кнопка, после нажатия которой привычное изображение могло неожиданно пропасть. Только что показывали передачу, а через секунду на экране появлялся синий фон с...

Комнатное растение стоит во влажной земле неделю, хотя летом горшок высыхал за два дня: что изменилось осенью

Летом горшок приходилось поливать через день, а осенью та же земля остаётся влажной почти неделю. Кажется, будто с растением что-то случилось: корни перестали работать, грунт внезапно...

Как в колонках 35АСДС-017 боролись с нехваткой баса и зависимостью звука от положения слушателя

В 1984 году во Львове начали выпускать колонки 35АСДС-017 с электростатическими излучателями. Этот тип акустики славился чистыми средними и высокими частотами, но плохо справлялся с басом, а...

Инженерная оговорка первых партий GPO Brooklyn: почему CD-диск нужно вставлять задом наперед

Когда в руки попадает современная реплика классической аудиотехники 1980-х годов, меньше всего ждешь сюрпризов из области базовой эргономики. Музыкальный центр GPO Brooklyn, созданный брендом GPO...