Часто можно слышать утверждение, что первый, кто приступил к объединению полей (электрического, магнитного и светового), был Максвелл, при этом, по-видимому, забывают Фарадея, решающими усилиями которого удалось объединить атмосферное, химическое, магнитное, вольтово, обыкновенное, животное, термо- и трибоэлектричество в единое поле - электрическое. Любопытный эпизод из истории этого объединения воспринимается с позиции сегодняшних знаний как "чудачество" великих. Путешествуя по Европе, 28-летний Фарадей со своим знаменитым учителем Деви оказался в Генуе. После ознакомления со старинными крепостями, они заинтересовались рыбаками, разгружавшими обильный улов рыбы. Их внимание привлекли электрические скаты, с помощью которых они тут же попытались разложить воду на водород и кислород. Если животное электричество производит такое же действие, как и другие электрические силы, то значит природа их одна и та же. К сожалению, опыт не удался - скаты ни за что не хотели выстраиваться в батареи и по команде разряжаться.
В наше время все-таки научились управлять разрядами электрических рыб по желанию экспериментатора, выдрессировав их по классическому методу образования условных рефлексов. Для дрессировки, например, африканского электрического сома потребовалось три месяца.
Способность некоторых рыб на расстоянии поражать и "гипнотизировать" свою жертву была известна еще древним грекам. "Эта рыба, - писал Аристотель, имея ввиду таинственного ската Torpedo, обитающего у берегов Средиземного моря, - заставляет цепенеть животных, которых она хочет поймать, пересиливая их силой удара, живущего у нее в теле". Кстати, предсказанная легендарным слепым прорицателем Тиресием смерть Одиссея ("смерть настигнет тебя вне моря и из моря") наступила от раны копьем, имевшим наконечник из плавника ската.
Но древним удавалось добиваться и положительных результатов по использованию животного электричества в практических целях. Достоверно известно, что врач императора Нерона лечил его от ревматизма электрическим массажем и электрованнами следующим образом: в большую деревянную кадку пускали электрических скатов, производящих электрические разряды. Такую электрическую ванну и принимал император. Надо полагать, лечение было успешным, поскольку ни Тацит, ни Светоний - летописцы древнего Рима - ничего не рассказывают о казни этого врача - участи, ожидавшей каждого, кто причинил хоть малейшее страдание великому деспоту.
Способность живых тканей генерировать электричество не является исключительной привилегией рыб. Электричество вырабатывают нервные, мышечные и железистые ткани любых живых существ. Поэтому не удивительно, что именно излучение электрических явлений в живых тканях и открыло эру электричества.
С помощью специальных зондов удалось зарегистрировать электрические поля вокруг нервов, мышц и сердца лягушки. Уверенно прослеживается поле человека на расстоянии 10 - 25 см от его поверхности. Зафиксировано даже электрическое поле шмеля во время его полета. Но наибольшей способностью генерировать и использовать электричество природа наделила некоторых рыб. О них в дальнейшем и пойдет речь.
Многие виды рыб обладают свойством не только поражать жертву Jims, спасаться от хищника, но и воспринимать окружающий мир с помощью электрических полей. Хотя электрический мир ощущений, присущий рыбам, нам не доступен, но познавательное значение этой проблемы несомненно. Смоделировать электрические органы чувств - весьма заманчивая задача. К сожалению, физика процессов в электрическом мире рыб почти не исследовалась. Остается довольствоваться пока сведениями, полученными в области физиологии и электробиологии.
Из 20 тысяч видов рыб около 800 из них способны генерировать электричество, однако целенаправленное его использование известно лишь для нескольких десятков видов рыб. В соответствии с различным назначением электрических органов электрические рыбы подразделяются на сильноэлектрические, использующие электричество с целью нападения и обороны, и слабоэлектрические, приспособившие электрические поля для локации и связи. Сильноэлектрические рыбы генерируют резкие кратковременные разряды, мощность которых в импульсе может достигать 0,6 кВт, а амплитудное напряжение - 1200 В (электрический угорь) при силе тока до 1,2 А. Создаваемое ими мощное электрическое поле простирается на расстояние до 5 м. Пораженную электрическим ударом рыбу-жертву словно сводит судорога: она, изогнувшись, цепенеет, растопырив плавники и жаберные крышки. Парализованными оказываются и мелкие животные, например, лягушка, попавшая в зону электрического разряда. Встревоженный раздражителями любой физической природы, угорь "разряжается" серией следующих друг за другом мощных импульсов, способных не только убить мелких животных, но даже напугать или контузить крупных, в том числе и человека. Поэтому аборигены, обитающие в поймах южноамериканских рек, переходя реку вброд, гонят перед собой крупный рогатый скот или лошадей, нейтрализуя таким образом боеспособность в изобилии водящихся там электрических угрей.
Упоминавшиеся выше электрические скаты из рода Torpedo способны развивать мощность в импульсе до б кВт (Torpedo accident alia), величина тока разряда может достигать у них 50 А. Структура разрядов достаточно сложна. Каждый разряд распадается на серии, продолжительность и последовательность которых обусловлена степенью возбуждения. В серии можно насчитать до 150 залпов в секунду, в свою очередь залп - последовательность импульсов (от 2 до 10), продолжительность импульса в залпе от 3 до 5 мсек. Количество импульсов в залпе зависит от размера жертвы или степени возбуждения.
Электролокационные свойства слабо электрических рыб также не вышли еще за пределы феноменологического описания. Генерируя электрические импульсы, рыбы создают в пространстве поле, топография которого зависит не только от размеров рыб и их электрических органов, но и от проводимости воды и диэлектрических свойств погруженных в нее объектов. Но как осуществляется высокая разрешающая способность электролокации рыб, каким образом они отфильтровывают полезные сигналы от шумовых - совершенно не ясно.
Весьма любопытно, что даже такие обыкновенные для наших краев рыбы как караси и пескари, чувствуют электрическое поле и, более того, излучают электрические сигналы, хотя и довольно слабые. Обнаружены и чувствительные органы, воспринимающие электрическое поле: они расположены в системе органов чувств боковой линии. Некоторые из них, так называемые ампулы Лоренцини, представляют собой длинные трубочки, заполненные желеобразным веществом, внутри которых и находятся клетки с нервными окончаниями. Экспериментально установлено, что рыбы не только не хуже, а некоторые и лучше самых чувствительных приборов, созданных до сих пор человеком, регистрируют малейшее изменение напряженности электрического поля. Но и это не все. Они чувствуют и магнитное поле!
Однако, разделение электрических рыб на сильно- и слабо электрические, конечно же условно. Часть из них, как например, черный нож - призрак, обитающий в бассейне реки Амазонки, способен не только глушить свою добычу электрическими разрядами подобно скатам, но и обладает электрической эхолокационной системой, позволяющей производить "обзор" окружающего пространства. Он испускает каскад очень слабых разрядов с частотой до одного килогерца. Отраженные от цели импульсы улавливаются специальными рецепторными клетками, связанными нервными волокнами с мозгом. Как удается ему регистрировать слабые эхосигналы на фоне сильных излучаемых сигналов - остается загадкой.
Небезынтересен коллективный эффект рыб, объединенных в стаи. Слабые электрические поля отдельных рыб обусловливают довольно сильное результирующее поле ориентированной стаи, которое, в свою очередь, может координировать движение отдельных особей. С помощью электрических сигналов рыбы общаются между собой. Они, как по команде, почти одновременно совершают различные маневры (поворот, ускорение или за-медление движения, погружение или всплывание), ищут корм и добычу, метят свою территорию, привлекают к себе особей другого пола.
Знаменитый физик XX века, лауреат Нобелевской премии Р.Фрейман утверждал что «практически нет ни одного явления в природе, которое не сопровождалось бы электричеством». И живая и неживая природа это единый мир бытия. Не только астрофизические объекты, но и мы с вами, и все летающие, и плавающие и ползающие - своеобразные генераторы электричества. Поэтому было бы очень странно, если бы природа не воспользовалась представившейся ей возможностью использовать электрические и магнитные поля как носители информации.
По воспоминаниям другого лауреата Нобелевской премии П.Л. Капицы, в 40-е годы академик Иоффе довольно успешно занимался «осуществлением оригинальной конструкции электростатического генератора», который по своему устройству и надежности превосходил электромагнитные. Тогда-то у Иоффе и возникла идея перевести энергетику страны на их основу. Главным соображением в пользу выдвинутой им идеи было то, что электростатические генераторы не только проще по своей конструкции, но могут сами непосредственно вырабатывать ток высокого напряжения для линий электропередач без промежуточных трансформаторных станций. Л.П.Капице пришлось опровергать осуществимость такого проекта из-за малой плотности потока преобразуемой энергии в таких генераторах.
А вот для царства электрических рыб этот критерий (вектор Умова-Пойнтинга) - не помеха для использования электростатических генераторов. Природа снабдила их источниками электрического напряжения, которые пока надежно скрывают свои многочисленные секреты от людей.
Рыбы воспринимают электрическое поле постоянного тока обычно в виде ориентировочной двигательной реакции (они вздрагивают при включении и выключении тока). При увеличении напряженности поля наступает оборонительная реакция - так называемая стадия отпугивания: рыба сильно возбуждается и пытается выйти из зоны действия поля. Если напряженность увеличить еще больше, происходит анодная реакция. При дальнейшем повышении напряженности наблюдается электронаркоз: рыба теряет равновесие, подвижность и перестает реагировать на внешние раздражители Еще большее повышение напряженности электрического поля вызывает гибель рыбы.
Реакция рыб в электрических полях зависит от их ориентации в электрическом поле. Если рыба расположена головой к аноду, она возбуждается сильнее При постоянном повышении напряженности поля после первой стадии часто наблюдается анодная реакция - рыба движется к аноду.
Несколько иначе рыбы реагируют на электрические поля переменного тока. Первые две стадии примерно те же, но при дальнейшем повышении напряженности наступает стадия осциллотаксиса - рыба располагается поперек линий тока. Еще большее увеличение напряженности вызывает электронаркоз. Переменный ток вызывает у рыб более сильное возбуждение, чем постоянный. После его воздействия рыба долго не может прийти в нормальное состояние - она находится в состоянии своеобразного электрогипноза.
Еще более разнообразно и сложно поведение рыб в полях импульсного электрического тока. Реакции рыб зависят от амплитуды, частоты, формы и продолжительности импульсов. Различные виды рыб реагируют на импульсные поля неодинаково, однако и в этом случае стадии реакций у них такие же, как при воздействии полей постоянного тока.
Проявление отдельных стадий реакций рыб на различные электрические поля зависит от условий среды (электропроводности, температуры), а также от видовой чувствительности рыб к току, их размеров, формы и физиологического состояния.
Итак, при действии на рыб сильных электрических полей можно выделить несколько типичных стадий изменения поведения: первичная пороговая реакция, возбуждение, анодная реакция и электрический наркоз (шок). Примерно по такой же схеме действует возрастающий электрический ток на любой нервно-мышечный аппарат. Это совпадение не случайно. Оно, несомненно, свидетельствует, что поведенческие реакции рыб на сильные электрические поля основаны на процессах в нервно-мышечных элементах. Сильные электрические поля воспринимаются этими элементами рыбы. В результате нарушения их нормальной работы и принудительного сокращения мускулатуры возникает та или иная реакция рыбы.
Однако механизм направленного движения рыб на анод не выяснен. Существуют только гипотезы. Остановимся на некоторых из них.
Первая гипотеза связана с представлением о перераспределении в теле рыб ионов под воздействием электрического поля. В обычном состоянии ионы не «рассортированы». Когда же на рыб начинает действовать электрическое поле, отрицательные ионы группируются в сторону положительного электрода. О перераспределении ионов в теле рыб говорят факты остаточного напряжения после снятия действия внешнего электрического поля. Накопление отрицательных ионов в голове рыбы заставляет рыб двигаться к аноду. В этой гипотезе не все ясно. Непонятно, например, почему рыба движется всегда головой к аноду. Очень часто она в начале действия поля головой повернута в противоположную сторону. В этом случае отрицательные ионы должны были бы накапливаться в хвосте, и рыба должна была бы двигаться хвостом к аноду. Между тем рыба всегда движется головой к аноду.
Согласно другим гипотезам, рыба - генератор биоэлектричества. Биоэлектрическое поле рыбы определенным образом взаимодействует с внешним электрическим полем. В результате у рыбы возникает анодная реакция.
Общие положения гипотез приемлемы. Однако есть моменты, с которыми нельзя согласиться. Так, предполагается, что ток в теле рыб (имеются в виду неэлектрические рыбы) течет от головы к хвосту. Между тем это положение не подтверждается экспериментально. Кроме того, согласно гипотезам, взаимодействие между полями начинается, когда рыба попадает в электрическое поле. При малом напряжении у рыб нет стремления изменить свое положение. Но с повышением напряженности внешнего поля это взаимодействие для рыбы становится ощутимым. В случае течения тока в противоположных направлениях результирующая сила тока уменьшается, и рыба для восстановления электрического равновесия меняет свое положение. Видимо, некоторое увеличение силы тока оказывает на рыбу действие, направляющее ее в сторону анода.
Согласно этим гипотезам, рыба движется к аноду, если напряженность внешнего электрического поля складывается с биоимпульсами ее мышц. В другом случае взаимодействие вызывает отрицательную реакцию.
Анодная реакция, как известно, начинается при очень высокой напряженности внешнего электрического поля - более 50 мВ на 1 см. Напряженность внешних электрических полей, вызывающих анодную реакцию, в 100-10 000 раз выше напряженности биоэлектрических полей. Почему же более слабые электрические поля не вызывают анодной реакции?
Взаимодействие между сильными внешними электрическими и биоэлектрическими полями рыб действительно существует. Но восприятие их рыбами принципиально иное, чем восприятие слабых полей. В сильных электрических полях реакции рыб по своей природе безусловно-рефлекторны. Слабые электрические поля рыбы могут использовать в целях ориентации и общения.
Электрические рыбы . Люди ещё в глубокой древности обратили внимание, что некоторые рыбы как-то по особенному добывают себе пищу. И лишь совсем недавно, по историческим меркам, стало понятно, как они это делают. Оказывается есть такие рыбы, которые создают электрический разряд. Этот разряд парализует или убивает других рыб и даже совсем не маленьких животных.
Плывёт такая рыбина, плывёт никуда не торопясь. Как только недалеко от неё оказывается другая рыба, создаётся электрический разряд. Всё, обед готов. Можно подплывать и заглатывать парализованную или убитую электрическим током рыбу.
Как же это получается у рыб создавать электрический импульс? Дело в том, что в организме таких рыб имеются самые настоящие батарейки. Их количество и размеры у рыб разные, но принцип действия один и тот же. Именно по такому же принципу устроены современные аккумуляторные батарейки.
Собственно, современные батареи и созданы по образцу и подобию рыбных. Два электрода, между ними электролит. Этот принцип был однажды подсмотрен у электрического ската. много ещё интересных неожиданностей таит природа матушка!
Сегодня в мире насчитывается более трёхсот видов электрических рыб. Они имеют самые разные размеры и вес. Всех их объединяет способность создавать электрический разряд или даже целую серию разрядов. Но всё же считается, что самыми мощными электрическими рыбами являются скаты, сомы и угри.
Электрические скаты имеют плоскую голову и тело. Голова чаще в форме диска. Они имеют небольшой хвост с плавником. Электрические органы расположены по бокам головы. Ещё пара небольших электрических органов расположены на хвосте. Они есть даже у тех скатов, которые не относятся к электрическим.
Электрические скаты могут вырабатывать электрический импульс напряжением до четырёхсот пятидесяти вольт. Этим импульсом они могут не только обездвиживать, но и убивать небольших рыб. Человеку, если он попадёт в зону действия импульса, тоже мало не покажется. Но человек, скорее всего останется жив, хотя наверняка испытает неприятные в своей жизни моменты.
Электрические сомы , так же как и скаты, создают электрический импульс. Его напряжение может быть у крупных сомов, так же как и у скатов, до 450 вольт. При поимке такого сомика, так же можно получить весьма ощутимый удар током. Электрические сомы обитают в водоёмах Африки и достигают размеров до 1 метра. Их вес может быть до 23 килограммов.
Но, самая опасная рыба обитает в водоёмах Южной Америки. Это электрические угри . Они бывают очень немаленьких размеров. Взрослые особи достигают в длину трёх метров и веса до двадцати килограммов. Эти электрические гиганты могут создавать электрический импульс напряжением до одной тысячи двухсот вольт.
Импульсом с таким напряжением они могут убить и довольно крупных животных, оказавшихся некстати рядом. Такой же исход может ожидать и человека. Мощность электрического разряда достигает шести киловатт. Мало не покажется. Вот такие они — живые электростанции.
Использование рыбами электрических полей
Электрическая локация
Еще Дарвину было известно, что некоторые рыбы имеют небольшие электрические органы. Разряды, излучаемые ими, настолько слабы, что казались естествоиспытателям совершенно бесполезными. Эти органы считались псевдоэлектрическими, рудиментарными. Однако в 1958 г. Лиссман показал, что рыбы с «рудиментарными» электрическими органами используют свои слабые электрические поля для локации и взаимосвязи. Исследуя слабоэлектрических рыб, Лиссман обнаружил две характерные особенности их поведения. Первая заключается в том, что при плавании такие рыбы стремятся поддерживать неизменным положение горизонтальной оси тела (передвигаются они, как правило, за счет ундулирующих, т. е. колебательных, волнообразных движений спинного плавника). Вторая особенность - четкая локация помещенных в воду рядом с рыбами различных предметов.
Особенно детально Лиссман изучил поведение гимнарха. Плавая, гимнарх никогда не ударяется ни о препятствия на своем пути, пи о стенки аквариума. Интересен способ, каким гимнарх исследует незнакомые объекты. Он поворачивается к нему хвостом и его кончиком как бы ощупывает его на расстоянии с разных сторон. Как известно, в хвосте у гимнарха находится электрический орган, который генерирует импульсы частотой 300 Гц. Лиссман предположил, что именно этот орган участвует в локации.
Выше говорилось о боковой линии - специализированной системе локации объектов, которым обладают рыбы. Однако, используя ее, рыба не может обнаружить неподвижные объекты, если она не движется и не создает потоки воды. Не может она также различать объекты, геометрически идентичные по форме и размеру, но отличающиеся по электрическим свойствам. Между тем опыты на гимнархе показали, что слабоэлектрические рыбы обладают такими способностями.
Эти опыты заключались в следующем. Рыб, длина одной из которых составляла 52 см, а другой - 54 см, помещали в большой аквариум, оборудованный специальной установкой (рис. 16). Для сравнения использовали геометрически идентичные цилиндрические сосуды длиной 15 см, с внутренней емкостью 80 см 3 . Их электропроводность изменяли, помещая внутрь электролиты и диэлектрики. (Сосуды были изготовлены из материала с электропроводностью, близкой электропроводности воды)
За каждым сосудом на тонкой проволоке, связанной с регистрирующим устройством, подвешивали кусочки пищи. Когда гимнарх захватывал пищу, проволочка натягивалась, благодаря чему прикрепленное к ее концу записывающее острие перемещалось, и на вращающемся барабане фиксировался подход рыбы к соответствующему объекту. У рыб вырабатывали условный рефлекс, «поощряя» пищей за правильный выбор и «наказывая» ударом палочки за неправильный.
В первой серии опытов рыбы быстро научились отличать сосуды с более высокой электропроводностью (с аквариумной водой) от сосудов с диэлектрическими свойствами (с парафином, воздухом и дистиллированной водой).
Во второй серии опытов исследовали способность рыб различать геометрически и оптически идентичные сосуды с различной электропроводностью. В специальных опытах выяснялась возможность различения рыбами электрически одинаковых сосудов с различными реактивами. Было установлено, что гимнарх различает геометрически и оптически одинаковые сосуды с разной электропроводностью, но не может отличить сосуды, содержащие разные химические вещества.
Определялась также степень чувствительности гимнарха к объектам с разной электропроводностью. Оказалось, что гимнарх не может различать геометрически идентичные объекты, имеющие одинаковую электропроводность, но различную внутреннюю структуру. Наименьший объект, электрически отличимый гимнархом от воды, представлял собой стеклянную трубочку диаметром 0,2 см.
Рис. 16. Установка дли выработки у слабоэлектрических рыб условных рефлексов на объекты одинаковых размеров
1 - сосуды с различной электропроводностью, 2 - кусочки пищи, 3 - регистрирующее устройство
Таким образом, было установлено, что при локации различных объектов гимнарх использует электрический орган. Каков же механизм электрической локации у рыб?
В 1950 г. К. Коэтс высказал предположение, что электрический угорь использует радиолокационный прием. Как известно, принцип действия радиолокаторов основан на измерении времени, истекшего между моментами посылки электромагнитного импульса и возвращения эхо-сигнала, отраженного от препятствия (объекта локации). Зная скорость распространения электромагнитных волн (300 тыс. км/с), можно приблизительно вычислить расстояние до обнаруженного объекта. По мнению Коэтса, и угорь каким-то образом ощущает время между посылкой импульса и возвращением эхо-сигнала.
Несостоятельность этой гипотезы очевидна с точки зрения как физики, так и физиологии. Рыбы генерируют разряды электрического тока, который не отражается от предметов. Конечно, некоторое количество энергии разряда уходит на образование электромагнитных волн. Однако в воде они затухают с увеличением расстояния. Кроме того, невозможно представить, чтобы рыба могла «измерить» промежуток времени между посылкой и приемом импульса. Так, если объект обнаруживается на расстоянии 1 м, то сигнал должен пройти 1 м до объекта и столько же обратно, т. е. 2 м. Нетрудно подсчитать, что время прохождения такого расстояния электромагнитной волной составит одну пятнадцатимиллионную секунды. Такие ничтожные промежутки времени живые существа различать не могут.
Иную гипотезу о механизме электрической локации рыб выдвинул Лиссман, тщательно изучавший ориентацию гимнарха. Он обнаружил, что рыба создает вокруг себя характерное электрическое поле дипольного типа. Если в воде нет никаких объектов, диполь симметричен. Его конфигурация зависит и от электропроводности воды и от искажений, которые возникают, если в электрическом поле находятся объекты, отличающиеся по своей электропроводности от воды. При этом объекты с электропроводностью большей, чем у воды, сгущают вокруг себя электрическое поле, а объекты с меньшей электропроводностью рассредоточивают его (рис. 17). Изменения конфигурации поля влечет за собой соответствующие сдвиги в распределении электрических потенциалов по поверхности тела рыбы. Рыба воспринимает их с помощью электрических рецепторов, расположенных в области головы, благодаря чему определяет местонахождение объекта.
Специальные опыты показали, что у гимнарха (гимнотуса, гнатонемуса и мормируса) чувствительность к внешним электрическим полям значительно выше, чем у других рыб. Гимнарх способен воспринимать внешнее электрическое поле напряженностью в сотые доли микровольта на сантиметр. Именно этим объясняются описанные выше результаты опытов с гимнархом по определению геометрически идентичных объектов с различной электропроводностью.
Таким образом, гимнарх производит локацию объектов с помощью особого электрического механизма. Чтобы проверить эффективность его работы, Лиссман поставил модельный эксперимент в аквариуме. С помощью двух неподвижно закрепленных электродов, на которые от генератора подавались импульсы, аналогичные импульсам гимнарха, в воде создавалось электрическое поле дипольного типа. К осциллографу подключались 25 воспринимающих электродов, расположенных по форме тела гимнарха. Когда в смоделированное дипольное поле гимнарха вносили различные объекты, потенциалы на воспринимающих электродах значительно изменялись.
Рис. 17. Распределение силовых линий в электрической поле гимнарха под влиянием объекта со свойствами диэлектриков (а) в проводника (б)
Оказалось, что подобным методом вполне возможно «лоцировать» крупные разнообразные объекты на небольшом расстоянии. Добиться такой же точной локации мелких объектов, какая наблюдается у гимнарха, не удалось. Однако эта способность гимнарха связана с деятельностью тонких механизмов рецепции и, в частности, с тем, что он может выделять полезные электрические сигналы из шума.
Модельные опыты показали, что незначительные перемещения воспринимающих электродов в пространстве существенно влияют на изменения потенциалов. Этим объясняется своеобразный способ плавания всех слабоэлектрических рыб - они стремятся сохранять положение оси своего тела неизменным, чтобы иметь возможность осуществлять локацию.
В последнее время экспериментально установлено, что электрическую локацию, сходную с локацией гимнарха, использует большинство видов гимнотовидных и мормирообразных, в том числе и электрический угорь.
Некоторые предварительные данные говорят о том, что подобная форма ориентации в пространстве присуща и другим рыбам: обыкновенным скатам, морской миноге, а также некоторым неэлектрическим рыбам, имеющим электрорецепторы,- осетровым, сомовым.
Описанный механизм электрической локации может быть смоделирован и использован в технике в практических целях, например для отыскания под водой металлических предметов, для регистрации рыб, проходящих через рыбопропускные сооружения, и т. д.
Электрические поля - средство общения рыб
С помощью электрических полей рыбы могут обмениваться различной информацией. В настоящее время значение таких полей в общении рыб экспериментально установлено лишь для некоторых из них. Электрические сигналы можно разделить на сигналы опознавания пищевых объектов, групповые, агрессивно-оборонительные, межполовые опознавательные и стайные, с помощью которых рыбы собираются вместе.
Рассмотрим каждую из этих групп сигналов в отдельности.
Сигналы опознавания пищевых объектов. Многие виды рыб имеют электрорецепторы с высокой чувствительностью, благодаря чему могут использовать биоэлектрические разряды других рыб. Известно, например, что акулы, отыскивая пищу, воспринимают различные сигналы, воспроизводимые их жертвами. Они реагируют на низкочастотные колебания, создаваемые рыбами, и на выделяемые ими химические вещества. Однако большинство исследователей отмечают, что акул привлекают какие-то сигналы, испускаемые их жертвами во время рывков и бросков при испуге (так называемая эманация страха). Характерно, что именно эти движения рыб сопровождаются наиболее сильными биоэлектрическими разрядами. В связи с этим возникло предположение, что акулы и скаты (близкие родственники), обладающие высокой чувствительностью к внешним электрическим полям, могут различать на некотором расстоянии движущихся рыб по их биопотенциалам.
С целью проверки этой гипотезы были проведены специальные опыты с морской лисицей и камбалой. Ската помещали в один аквариум, а камбалу - в другой. Аквариумы были химически, акустически и оптически изолированы друг от друга. Между ними осуществлялась только электрическая связь. В аквариуме с камбалой находились воспринимающие электроды, соединенные через усилитель с воспроизводящими электродами, размещенными в аквариуме с морской лисицей. В процессе опытов снималась электрокардиограмма морской лисицы.
Было обнаружено, что, если камбала находилась на расстоянии 10-15 см от приемных электродов, величина ее биопотенциалов оказывалась достаточной для возбуждения ската.
Способность скатов воспринимать биопотенциалы других рыб подтвердили также опыты, в которых с помощью магнитофона воспроизводилась предварительная запись биопотенциалов камбалы. Эти опыты проводились в крупных бассейнах с морской водой диаметром 1,8 м по условнорефлекторной методике. Посредством двух электродов, помещенных в грунт на дне бассейна, в воде генерировалось модельное биопотенциальное поле камбалы. Скат свободно передвигался в бассейне, и каждый раз, когда он проплывал над электродами, ему бросали кусок мяса. Приблизительно после 50 таких «тренировок» у животных обычно вырабатывался условный рефлекс. Скаты плавали над электродами, и при включении модельного поля камбалы устремлялись к участку грунта, где помещались электроды.
Таким образом, акулы и скаты могут использовать биопотенциальные разряды рыб, которые составляют их пищу, для отыскания корма. По-видимому, такой же способностью обладают и некоторые другие рыбы, имеющие электрорецепторы: американский сомик, отдельные представители осетровых и хищные слабоэлектрические рыбы.
Групповые сигналы впервые были обнаружены у электрического угря Коэтсом. Было замечено, что некоторые разряды одного угря привлекают к нему других рыб. Это явление подтвердилось наблюдениями в природных условиях. С целью выяснения информационной роли разрядов угря проводились опыты как с искусственными, так и с естественными разрядами.
Опыты по выяснению действия на угрей искусственных разрядов, сходных с разрядами угря, проводились в бассейне размерами 4,1 X 1,2 X 0,3 м. Регистрирующие электроды устанавливались с одной стороны бассейна по его длине, а стимулирующие - посредине бассейна. Расстояние между электродами составляло 60 см. Разряды изменялись по частоте следования, напряжению и длительности импульсов. Реакции оценивали по приближению угря к стимулирующим электродам, ответным разрядам, а также по ориентировочным реакциям: кусанию и толканию электродов.
Было установлено, что при излучении разрядов угорь возбуждается, посылает ответные разряды и подходит к стимулирующим электродам. Наиболее активно угорь реагировал на разряды, состоящие из импульсов длительностью 5 мс и частотой следования 100 импульсов в секунду при напряженности поля от 1,5 до 0,25 В на 1 см. На разряды большей и меньшей напряженности реакция снижалась. Частота следования импульсов тоже оказывала влияние на реакцию угрей: она ослабевала при частоте следования импульсов меньше 10 и больше 200 импульсов в секунду. Разряды «угреподобного» типа привлекали угрей, и рыбы сопровождали перемещаемые по водоему стимулирующие электроды.
Опыты с естественными разрядами угря проводились по методу, условно названному «актеры-зрители», в двух вариантах. В первом варианте и «актера» (угря, генерирующего разряды), и «зрителей» (угрей, воспринимающих разряды) помещали в одном бассейне. «Актер» находился в сетчатом садке, и его электрическую деятельность периодически стимулировали прикосновением стеклянной палочки к телу. Разряды угря контролировали с помощью воспринимающих электродов и регистрирующей аппаратуры. При каждом разряде «актера» остальные угри возбуждались (на расстоянии не далее 7 м) и подплывали к нему.
Однако так как в этом варианте опытов все угри находились в одном бассейне, они могли пользоваться не только электрическими каналами связи. Чтобы исключить вероятность связи иными способами, во втором варианте опытов «актера» и «зрителей» помещали отдельно, в двух аквариумах, между которыми сохранялась только электрическая связь. Разряды «актера» по проводам передавались на электроды, находившиеся в аквариуме с угрями-«зрителями». Опыты показали, что и в этом случае отмечается эффект привлечения угрей, особенно голодных, к электродам. Подходящие к электродам угри как бы исследовали излучаемые разряды и сами начинали их генерировать. Эффект привлечения наблюдался на расстоянии от электродов не более 7 м.
Таким образом, можно сделать вывод, что разряды с высокой частотой следования импульсов (в среднем 100 импульсов в секунду) являются сигналами привлечения угрей друг к другу. Основываясь на экспериментальных данных (угри привлекаются только на охотничьи сигналы, и при входе в зону действия электрического поля они тоже начинают активно их генерировать), можно предполагать, что разряды, привлекающие угрей, имеют значение сигналов о местонахождении пищи.
Групповые сигналы есть не только у гимнотовидных, к которым относится угорь, но и у рыб других отрядов, например у мормирообразных. Для определения сигнального значения импульсов у этих рыб Лиссман поставил следующие опыты. Ученый использовал аквариум, разделенный на два отсека перегородкой из двух слоев марли, исключавшей оптический контакт между рыбами. В один из них помещали одну рыбу, а спустя некоторое время во второй - другую. Наблюдения показали, что в дневное время обе рыбы лежали на дне аквариума неподвижно, но их импульсация была в определенных пределах синхронна. Если к одной рыбе прикасались стеклянной палочкой и ее импульсация увеличивалась, то же происходило с другой рыбой.
В ночное время при слабом освещении можно было видеть, что обе рыбы всплывают и начинают плавать вдоль перегородок, явно ощущая присутствие друг друга. Разряды рыб при этом значительно усиливались. Эти наблюдения с несомненностью свидетельствуют о том, что свои импульсы рыбы используют и как сигналы группового общения.
Агрессивно-оборонительные сигналы характерны для рыб, у которых четко выражена внутривидовая иерархия а также у территориальных одиночных или парных рыб, в частности у гимнарха. Гимнарх - территориальная рыба: перед размножением он строит гнездо из плавающих растений, куда откладывает крупную (до 1 см в диаметре) икру. Гнездо находится в середине его территории. Самец охраняет гнездо во время инкубационного периода (3-4 дня), в течение которого он очень агрессивен к особям своего вида. Благодаря высокой чувствительности к электрическим сигналам он обнаруживает своих «конкурентов» на значительных расстояниях. Для доказательства этого были проведены специальные опыты.
В бассейн, где находился гимнарх, помещали несколько пар электродов, на которые подавали записанные на магнитофоне электрические импульсы гимнархов (напряжение на электродах достигало 3 В). Таким образом, в воде моделировалось электрическое поле гимнарха. Опыты показали, что гимнарх атакует излучающие электроды. Кроме того, было установлено, что при изменении частоты импульсов в широком диапазоне (т. е. они значительно отличаются от характерных импульсов для гимнарха) агрессивная реакция на электроды у рыбы сохраняется. По-видимому, гимнарх использует электрические сигналы не только во внутривидовых, но и в межвидовых отношениях.
Столь же четко выражены сигналы, используемые в агрессивных отношениях, и у мормирообразных. Это также связано с их территориальностью. Если поместить двух рыб в один аквариум, частота их разрядов сразу же увеличивается, затем они нападают друг на друга, пытаясь откусить хвостовой стебель. Именно в этой части тела и расположены их электрические органы.
Исследователи, наблюдавшие аналогичное поведение мормирообразных в природных условиях, пришли к выводу, что они применяют электрические разряды для охраны своей территории. Установлено, что рыбы-соперники по характеру разрядов определяют силу противника. При сильном разряде одной рыбы электрическая деятельность другой обычно подавляется.
Наибольшую роль агрессивно-оборонительные сигналы играют в связи с внутривидовой иерархией. В этом отношении характерно поведение гимнотуса, обитающего в реках Южной Америки.
Эта ночная территориальная рыба, достигающая 60 см в длину, имеет четко выраженную иерархическую организацию. Территория каждой особи, на которой она питается, занимает площадь около 0,4 м 2 , эти участки находятся на расстоянии не менее 3 м друг от друга. Несмотря на это, гимнотусы при сближении до 2 м обмениваются электрическими сигналами.
Выделено четыре типа агрессивно-оборонительных сигналов, сопровождаемых соответствующими позами. Разряд постоянной относительно высокой частоты следования импульсов (100-500 в 1 с) расшифровывается воспринявшей его особью как сигнал о наличии соперника и вызывает атаку при его приближении на расстояние не более 20 см. Подобные разряды рыбы этого вида используют также для локации.
Разряд, генерируемый вблизи соперника, воспринимается как сигнал «поддержания атаки». При этом рыбы располагаются боком друг к другу так, что хвост одной находится у головы другой и создаваемые ими поля направлены в область тела с наибольшей концентрацией электрорецепторов. Таким образом достигается наибольшее обоюдное стимулирующее воздействие.
Разряд, прекращающийся на короткий период (менее чем на 1,5 с), а затем возобновляющийся с новой силой,- сигнал, предшествующий броску на соперника. Разряд, прерывающийся на 1,5 с и более,- сигнал, приостанавливающий сражение. Его обычно генерирует более слабая рыба, которая как бы просит пощады. Описанные сигналы были изучены в лабораторных и природных условиях.
Таким образом, электрические рыбы широко используют агрессивно-оборонительные электрические сигналы. Следует отметить, что и неэлектрические рыбы - цихлидовые, макроподы, щуки, окуни, угри и т. д.- сопровождают агрессивно-оборонительные отношения характерной разрядной деятельностью.
Межполовые опознавательные сигналы. Некоторые факты говорят об использовании рыбами электрической сигнализации для различения особей противоположного пола. Так, черноморский звездочет в период размножения генерирует характерные разряды. Их напряжение и длительность увеличиваются у самок по мере созревания гонад, достигая максимума в последних стадиях зрелости; у самцов напряжение разрядов в это время становится минимальным, а длительность - максимальной.
Еще более четко различаются межполовые опознавательные сигналы у шиповатого ската: у самок их напряжение максимально весной и летом (в период нереста), а у самцов - летом и осенью. При этом характер разрядов и самок, и самцов меняется по мере полового созревания рыб.
Биоэлектрические поля стаи рыб. Стайное поведение рыб изучали многие исследователи. Одни вскрывали механизм этого явления, другие пытались понять биологическое назначение стаи в жизни рыб. Однако многие вопросы стайного поведения еще не ясны. Например, какой механизм обусловливает целостность стаи при очень быстрых поворотах? В естественных условиях стаи бывают настолько велики, что объяснить их одновременные повороты зрительной передачей информации невозможно Это нельзя объяснить и звуковой сигнализацией, так как сигналов такого типа у стайных рыб нет.
Сотрудники лаборатории ориентации рыб Института эволюционной морфологии и экологии животных им А. Н. Северцова Академии наук СССР предположили, что биоэлектрические поля используются в стайном поведении. Однако напряженность полей, создаваемых разрядами неэлектрических рыб, незначительна (для большинства видов она составляет около 10 мкВ на 1 см на расстоянии 5-10 см от рыбы) Такие поля неэлектрические рыбы не воспринимают. Если это так, то имеют ли их биоэлектрические поля биологическое значение, или они представляют собой только побочный результат деятельности мышц и нервов?
Интересные данные получены в опытах по выяснению зависимости амплитуды и длительности биоэлектрических разрядов, образующих поля, от количества рыб. Вначале опыты проводились со стайкой тетрагоноптерусов (длина рыбы 5-7 см) в аквариуме размером 11 x 35 x 40 см. Разряды регистрировались с помощью двух пар электродов и шлейфового осциллографа. В аквариум последовательно подсаживали 40 рыб. Чтобы рыбы совершали маневры в стае (одновременные повороты), их пугали резко движущейся тенью. Запись разрядов производилась в диапазоне частот 50-1000 Гц.
Полученные данные показали, что с увеличением количества рыб в стае амплитуда разрядов возрастала, но незначительно, а длительность значительно: если у одной-двух особей сигнал длился 6-12 мс, то в стае из 40 рыб 150-280 мс. В опытах на молоди угря по мере увеличения количества рыб от 1 до 80 амплитуда электрических разрядов возрастала в 14 раз.
В дальнейшем опыты по суммированию биоэлектрических полей в стае проводили в естественных условиях на гольянах и дальневосточных гольцах. Было подтверждено, что с увеличением количества рыб в стае амплитуда и длительность разрядов возрастают. Именно поэтому разряды стаи рыб удается записать на значительно большем расстоянии, чем разряды одной особи: если разряды одного гольяна можно зарегистрировать на расстоянии до 30-40 см, а гольца - до 1 м, то разряды стаи гольянов из 100 особей фиксируют на расстоянии до 2,5 м, а стаи гольцов - до 3,5 м Естественно, что величина амплитуды суммированных электрических полей зависит не только от количества рыб в стае, но и от активности и синхронности генерирования ими разрядов.
В 1967 г. биоэлектрическое поле стаи атеринок было зарегистрировано на расстоянии 12-15 м. Стая состояла примерно из 500-600 особей, в поперечнике равнялась 2,5 м и двигалась относительно монолитно.
Суммированное биоэлектрическое поле стаи имеет напряженность, соответствующую чувствительности рыб. Повышению чувствительности рыб к полю стаи способствует также длительное непрерывное воздействие на них импульсов суммированного разряда.
Эти данные послужили основанием для гипотезы об использовании рыбами биоэлектрического поля стаи в целях ориентации. Предполагается, что стая с помощью своего биоэлектрического поля осуществляет электролокацию, а также и ориентируется в пространстве благодаря изменению параметров поля при его взаимодействии с магнитным полем Земли. Существование биоэлектрического поля стаи позволяет объяснить ее мгновенные повороты и целостность. Величина напряженности поля стаи, по-видимому, несет рыбам информацию о количестве составляющих ее особей.
В связи с образованием вокруг стай рыб биоэлектрического поля ученых заинтересовала возможность электропеленгации рыб и использования ее в практических целях. Электрические разряды рыб регистрируют двумя способами: по напряжению и току. Электрического угря и ската можно по потенциалам разрядов обнаружить на расстоянии 10 м, африканского слоника - 2 м, а неэлектрических рыб - вьюна и ставриду - 20-30 см; по силе тока рыб можно обнаружить на расстоянии, большем примерно в 5-10 раз. На современном уровне развития техники электропеленгация одиночных промысловых рыб невозможна, за исключением крупных рыб, например осетров, лососей, сомов, создающих биоэлектрические поля большой напряженности. Однако вполне реальна электропеленгация больших стай рыб с высокой напряженностью их электрических полей.
Электрическая навигация
Мысль о возможности ориентации животных по магнитному полю Земли высказал еще в 1855 г. Миддендорф. Имеются данные о чувствительности к магнитному полю Земли насекомых, улиток, водорослей. Говоря о возможности использования рыбами магнитного поля Земли для целей навигации, естественно поставить вопрос, а могут ли они вообще воспринимать это поле.
На магнитное поле Земли в принципе могут реагировать как специализированные, так и неспециализированные системы. В настоящее время не доказано, что у рыб имеются чувствительные к этому полю специализированные рецепторы.
Как воспринимают магнитное поле Земли неспециализированные системы? Более 40 лет назад было высказано предположение, что основой таких механизмов могут быть токи индукции, возникающие в теле рыб при их движении в магнитном поле Земли. Одни исследователи считали, что рыбы во время миграций используют электрические индукционные токи, возникающие в результате движения (течения) воды в магнитном поле Земли. Другие полагали, что некоторые глубоководные рыбы используют индукционные токи, возникающие в их теле при движении.
Рассчитано, что при скорости движения рыбы 1 см в секунду на 1 см длины тела устанавливается разность потенциалов около 0,2-0,5 мкВ. Многие электрические рыбы, обладающие специальными электрорецепторами, воспринимают напряженность электрических полей еще меньшей величины (0,1-0,01 мкВ на 1 см). Таким образом, в принципе они могут ориентироваться на магнитное поле Земли при активном перемещении или пассивном сносе (дрейфе) в потоках воды.
Анализируя график пороговой чувствительности гимнарха, советский ученый А. Р. Сакаян сделал вывод, что эта рыба чувствует количество протекающего в ее теле электричества, и высказал предположение о способности слабоэлектрических рыб определять направление своего пути по магнитному полю Земли.
Сакаян рассматривает рыбу как замкнутый электрический контур. При движении рыбы в магнитном поле Земли по ее телу в результате индукции в вертикальном направлении проходит электрический ток. Количество электричества в теле рыбы при ее перемещении зависит только от взаимного расположения в пространстве направления пути и линии горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Следовательно, если рыба реагирует на количество электричества, протекающего через ее тело, она может определить свой путь и его направление в магнитном поле Земли.
Таким образом, хотя вопрос об электронавигационном механизме слабоэлектрических рыб еще окончательно не выяснен, принципиальная возможность использования ими токов индукции не вызывает сомнений.
Электрические рыбы в значительном большинстве - «оседлые», немигрантные формы. У мигрантных неэлектрических видов рыб (тресковые, сельдевые и др.) электрических рецепторов и высокой чувствительности к электрическим полям не обнаружено: обычно она не превышает 10 мВ на 1 см, что в 20 000 раз ниже напряженности электрических полей, обусловленных индукцией. Исключением являются неэлектрические рыбы (акулы, скаты и др.), имеющие особые электрорецепторы. При движении со скоростью 1 м/с они могут воспринимать индуцированное электрическое поле напряженностью 0,2 мкВ на 1 см. Электрические рыбы чувствительнее неэлектрических к электрическим полям примерно в 10 000 раз. Это говорит о том, что неэлектрические виды рыб не могут ориентироваться на магнитное поле Земли, используя токи индукции. Остановимся на возможности использования рыбами биоэлектрических полей при миграциях.
Практически все типично мигрирующие рыбы - стайные виды (сельдевые, тресковые и др.). Исключение составляет только угорь, но, переходя в мигрантное состояние, он претерпевает сложный метаморфоз, что, возможно, сказывается на генерируемых электрических полях.
В период миграции рыбы образуют плотные организованные стаи, движущиеся в определенном направлении. Небольшие косячки этих же рыб не могут определить направление миграции.
Почему же рыбы мигрируют в стаях? Некоторые исследователи объясняют это тем, что по законам гидродинамики движение рыб в стаях определенной конфигурации облегчается. Однако существует и другая сторона этого явления. Как уже говорилось, в возбужденных стайках рыб биоэлектрические поля отдельных особей суммируются. В зависимости от количества рыб, степени их возбуждения и синхронности излучения общее электрическое поле может значительно превышать объемные размеры самой стаи. В подобных случаях напряжение, приходящееся на одну рыбу, может достигать такой величины, что она способна воспринимать электрическое поле стаи даже при отсутствии электрорецепторов. Следовательно, рыбы могут использовать электрическое поле стаи в целях навигации благодаря его взаимодействию с магнитным полем Земли.
А как ориентируются в океане нестайные рыбы-мигранты - угри и тихоокеанские лососи, совершающие длительные миграции? Европейский угорь, например, становясь половозрелым, направляется из рек в Балтийское море, затем в Северное море, попадает в Гольфстрим, движется в нем против течения, пересекает Атлантический океан и приходит в Саргассово море, где он размножается на большой глубине. Следовательно, угорь не может ориентироваться ни по Солнцу, ни по звездам (по ним ориентируются во время миграций птицы). Естественно возникает предположение, что, так как большую часть своего пути угорь проходит, находясь в Гольфстриме, он использует для ориентации течение.
Попробуем представить, как ориентируется угорь, находясь внутри многокилометровой толщи движущейся воды (химическая ориентация в этом случае исключается). В толще воды, все струйки которой перемещаются параллельно (подобные потоки называются ламинарными), угорь движется в одном направлении с водой. В этих условиях его боковая линия - орган, позволяющий воспринимать локальные потоки воды и поля давления,- работать не может. Точно так же, плывя по реке, человек не ощущает ее течения, если не смотрит на берег.
Может быть, морское течение не играет никакой роли в механизме ориентации угря и его миграционные пути случайно совпадают с Гольфстримом? Если так, то какие же сигналы окружающей среды использует угорь, чем он руководствуется при ориентации?
Остается предположить, что угорь и тихоокеанский лосось используют в своем ориентационном механизме магнитное поле Земли. Однако специализированных систем для его восприятия у рыб не обнаружено. Но о ходе опытов по выяснению чувствительности рыб к магнитным полям оказалось, что и угри, и тихоокеанские лососи обладают исключительно высокой чувствительностью к электрическим токам в воде, направленным перпендикулярно оси их тела. Так, чувствительность тихоокеанских лососей к плотности тока составляет 0,15*10 -2 мкА на 1 см 2 , а угря - 0,167*10 -2 на 1 см 2 .
Была высказана мысль об использовании угрем и тихоокеанскими лососями геоэлектрических токов, создаваемых в воде океана течениями. Вода - проводник, движущийся в магнитном поле Земли. Возникающая в результате индукции электродвижущая сила прямо пропорциональна напряженности магнитного поля Земли в данной точке океана и определенной скорости течения.
Группа американских ученых на трассе движения угря провела инструментальные замеры и расчеты величин возникающих геоэлектрических токов. Выяснилось, что плотности геоэлектрических токов составляют 0,0175 мкА на 1 см 2 , т. е. почти в 10 раз выше чувствительности к ним рыб-мигрантов. Последующие опыты подтвердили, что угри и тихоокеанские лососи избирательно относятся к токам с подобной плотностью. Стало очевидно, что угорь и тихоокеанские лососи могут использовать для своей ориентации при миграциях в океане магнитное поло Земли и морские течения благодаря восприятию геоэлектрических токов.
Советский ученый А. Т. Миронов предположил, что при ориентации рыбы используют теллурические токи, впервые обнаруженные им в 1934 г. Механизм возникновения этих токов Миронов объясняет геофизическими процессами. Академик В. В. Шулейкин связывает их с электромагнитными полями в космосе.
В настоящее время работами сотрудников Института земного магнетизма и распространения радиоволн в ионосфере АН СССР установлено, что постоянная составляющая полей, образуемых теллурическими токами, не превышает напряженности 1 мкВ на 1 м.
Советский ученый И. И. Рокитянский предположил, что, поскольку теллурические поля являются индукционными полями с разными амплитудами, периодами и направлениями векторов, рыбы стремятся уходить в места, где величина теллурических токов меньше. Если это предположение правильно, то в период магнитных бурь, когда напряженность теллурических полей достигает десятков - сотен микровольт на метр, рыбы должны уходить от берегов и с мелких мест, а следовательно, и с промысловых банок в глубоководные районы, где величина теллурических полей меньше. Изучение взаимосвязи поведения рыб с магнитной активностью позволит подойти к разработке способов прогнозирования их промысловых скоплений в определенных районах. Сотрудники Института земного магнетизма и распространения радиоволн в ионосфере и Института эволюционной морфологии и экологии животных АН СССР провели работу, в которой при сопоставлении уловов норвежской сельди с магнитными бурями была выявлена определенная корреляция. Однако все это требует экспериментальной проверки.
Как уже говорилось выше, у рыб существуют шесть систем сигнализации. А не пользуются ли они еще каким-нибудь чувством, пока не известным?
В США в газете «Новости электроники» за 1965 и 1966 гг. было опубликовано сообщение об открытии У. Минто особых «гидронических» сигналов новой природы, используемых рыбами для связи и локации; причем у некоторых рыб они регистрировались на большом расстоянии (у макрели до 914 м). Подчеркивалось, что «гидроническое» излучение нельзя объяснить электрическими полями, радиоволнами, звуковыми сигналами или другими ранее известными явлениями: гидронические волны распространяются только в воде, их частота колеблется от долей герца до десятков мегагерц.
Сообщалось, что сигналы были открыты при исследовании звуков, издаваемых рыбами. Среди них выделены частотно-модулированные, используемые для локации, и амплитудно-модулированные, излучаемые большинством рыб и предназначенные для связи. Первые напоминают короткий свист, или «чириканье», а вторые - «щебетанье».
У. Минто и Дж. Хадсон сообщили, что гидроническое излучение свойственно практически всем видам, но особенно сильно эта способность развита у хищников, рыб со слаборазвитыми глазами и у охотящихся ночью. Ориентационные сигналы (сигналы локации) рыбы испускают в новой обстановке или при исследовании незнакомых объектов. Сигналы связи наблюдаются в группе особей после возвращения рыбы, побывавшей в незнакомой обстановке.
Что же побудило Минто и Хадсона считать «гидронические» сигналы проявлением не известного ранее физического явления? По их мнению, эти сигналы не акустические, потому что их можно воспринимать непосредственно на электроды. В то же время «гидронические» сигналы нельзя отнести и к электромагнитным колебаниям, по мнению Минто и Хадсона, так как в отличие от обычных электрических они состоят из импульсов, не имеющих постоянного характера и длящихся несколько миллисекунд.
Однако с такими взглядами трудно согласиться. У электрических и неэлектрических рыб сигналы очень разнообразны по форме, амплитуде, частоте и длительности, в связи с чем такие же свойства «гидронических» сигналов не говорят об их особой природе.
Последняя «необычная» особенность «гидронических» сигналов - их распространение на расстояние 1000 м - также может быть объяснена на основании известных положений физики. Минто и Хадсон не проводили лабораторных экспериментов на одной особи (данные таких опытов свидетельствуют, что сигналы отдельных неэлектрических рыб распространяются на небольшие расстояния). Они регистрировали сигналы от косяков и стай рыб в морских условиях. Но, как уже говорилось, в подобных условиях может суммироваться напряженность биоэлектрических полей рыб, и единое электрическое пола стаи удается уловить на значительном расстоянии.
На основании изложенного выше можно сделать вывод, что в работах Минто и Хадсона необходимо различать две стороны: фактическую, из которой следует, что неэлектрические виды рыб способны генерировать электрические сигналы, и «теоретическую» - бездоказательное утверждение, что эти разряды имеют особую, так называемую гидроническую природу.
В 1968 г. советский ученый Г. А. Остроумов, не вдаваясь в биологические механизмы генерации и приема электромагнитных сигналов морскими животными, а исходя из фундаментальных положений физики, произвел теоретические расчеты, которые привели его к заключению, что Минто и его последователи ошибаются, приписывая особую физическую природу «гидроническим» сигналам. В сущности, это обычные электромагнитные процессы.
Из книги Удивительная биология автора Дроздова И ВО биолокации, электрических рыбах и многом другом В природе очень широко распространено свечение, о нем уже говорилось в начале книги, и наверное, каждый с ним сталкивался. Светятся в темноте гнилушки, иногда по ночам чудесно светится море. Об этом знали еще в древности, не
Из книги Новая наука о жизни автора Шелдрейк Руперт«Живые» приборы и их использование человеком В наш век все проблемы решаются с использованием строгого научного подхода. Однако при этом нередко остаются в стороне или попросту забываются крайне ценные приобретения многовекового опыта наших далеких предков, например в
Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора6.2. Полярность морфогенетических полей Большинство биологических морфических единиц поляризовано по крайней мере в одном направлении. Их морфогенетические поля, содержащие поляризованные виртуальные формы, будут автоматически принимать подходящие ориентации, если
Из книги Муравей, семья, колония автора Захаров Анатолий Александрович6.3. Размеры морфогенетических полей Размеры индивидуальных атомных или молекулярных морфических единиц более или менее постоянны; это относится также к размерам кристаллических решеток, хотя они повторяются неограниченное число раз, образуя кристаллы различных
Из книги С вечера до утра автора Акимушкин Игорь Иванович1. О природе М-полей Итак, согласно рассматриваемой гипотезе, фактор, определяющий образование форм на всех уровнях организации материи, - это морфогенетические поля. Утверждается, что это поля нового типа, не известного физике; соответственно, они не могут быть измерены
Из книги Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы автора Глазко Валерий Иванович Из книги Земля в цвету автора Сафонов Вадим АндреевичИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ МУРАВЬЁВ Муравьи начинают оказывать серьезное влияние на биоценоз при условии, что численность их достаточно велика. Однако в лесах гнезда рыжих лесных муравьев размещаются крайне неравномерно. Это происходит в силу различных причин. Прежде
Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий ПавловичМир ночи наших лесов и полей
Из книги Клематисы автора Бескаравайная Маргарита АлексеевнаИспользование ДНК-технологий для разработки вакцин Перспективным направлением является создание трансгенных растений, несущих гены белков, характерных для бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. При потреблении сырых плодов и овощей, несущих такие
Из книги Мозг в электромагнитных полях автора Холодов Юрий АндреевичКОМАНДАРМ ПОЛЕЙ
Из книги Современное состояние биосферы и экологическая политика автора Колесник Ю. А.Какие напряжения способны вырабатывать «живые батареи» электрических рыб? Разность потенциалов, развиваемая на концах электрических органов, может достигать 1200 вольт (электрический угорь), а мощность разряда в импульсе – от 1 до 6 киловатт (электрический скат). Разряды
Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир ВалерьяновичИспользование клематисов в озеленении Клематисы заслуженно называют «королями» вьющихся растений, и в декоративном садоводстве им отводится особое место. Привлекательность и красота клематисов обусловлены разнообразием окраски и обилием цветков (нередко от 500 и
Из книги автораГлава 5. Экологическое значение геофизических электромагнитных полей Медицинская сторона экологического значения естественных ЭМП прежде всего находит выражение в корреляции между изменениями ЭМП и обострением различных заболеваний, хотя здоровые люди тоже
Из книги автораГлава 7. Непосредственное действие электромагнитных полей на мозг Мозг как наиболее совершенная система управления и как орган тонкого приспособления организма к условиям окружающей среды привлекает пристальное внимание естествоиспытателей различных специальностей.
Из книги автора10.2. Использование земельных ресурсов Почвенный покров Приморского края и масштабы его деградацииПриморский край входит в южно-таежную лесную Амуро-Уссурийскую и лесостепную Амуро-Ханкайскую области и горную Южно-Сихотэ-Алиньскую провинцию. Горы занимают около 72 %
Электрические животные – это исключительно рыбы. У них есть способность создавать и использовать мощные электрические разряды для нападения и обороны, у других классов позвоночных такой способности нет. Этот уникальный дар позволяет их обладателям и ориентироваться в окружающем водном пространстве, и общаться с другими особями своего вида. Но не все электрические рыбы генерируют действительно мощные разряды. Это свойственно только некоторым из них, например, является самым сильным электрогенератором среди рыб, создающий разряды напряжением до 600 вольт и больше.
Электрический угорь – сильно-электрическая рыба.
Категории электрогенных рыб
Рыбы, способные создавать электрические импульсы иногда называются электрогенными. По способности к электрогенерации выделяют три главные категории рыб:
- сильноэлектрические создают разряды напряжением до 600 вольт, способные уничтожить другие организмы;
- слабоэлектрические не могут своими импульсами убить или как-то навредить жертве;
- воспринимающие — обладающие свойством электрорецепции: большинство не способны самостоятельно генерировать ток, но улавливают слабые электрические импульсы, возникающие в процессе сокращения мышечных тканей в других организмах.
Сильноэлектрические и слабоэлектрические
К этой категории относится не очень много видов. Все они создают разряды, представляющие опасность для человека и крупных животных, находящихся в воде. Их можно встретить и в пресных водоёмах, и в морской воде. В заболоченных местах бассейна Амазонки в Южной Америке живёт электрический угорь, которого очень боятся аборигенные жители. Ведь именно он вырабатывает электрический ток наибольшей мощности (до 650 В). Водоёмы тропических и субтропических районов Африки являются местом обитания электрического сома, взрослые особи которого способны создавать отдельные импульсы до 250 вольт.
В море в прибрежных частях Атлантического океана вдоль побережий Африки и на север до юга Великобритании электрогенной рыбой является . Он является источником электрических импульсов мощностью до 220-ти вольт, которые очень ощутимы для человека.
Все электрические рыбы из этой категории имеют большие электрические органы, вес которых составляет до одной трети от общей массы тела.
Электрические разряды слабоэлектрических рыб настолько слабые, что не могут навредить жертве. Поэтому они генерируются не для умерщвления или обездвиживания добычи, а только с целью её найти. Другой целью является обнаружение препятствий и других объектов в окружающем водном пространстве – для ориентирования. Электрические сигналы служат и способом общения для особей одного вида.
Пассивная и активная электролокация
Очень слабые электрические разряды исходят от всех морских организмов, что является результатом сокращения их мышц. Но улавливать эти разряды могут только рыбы, которых называют электрическими.
Есть две группы таких рыб:
1 — обладающие способностью только обнаружить электрические поля других живых существ в воде: это пассивная электролокация;
2 – умеющие улавливать электрические сигналы от других организмов и создавать собственные: активная электролокация;
Электролокационные хищники
Многим рыбам пассивная электролокация очень помогает во время охоты. Наиболее известны акулы и скаты. Например, имеет на морде очень много электросенсорных зон, благодаря которым она чувствует электрические поля зарывшейся в песок добычи и сразу определяет её местонахождение. Никаких шансом спастись у потенциальной жертвы нет. Такие же свойства присущи и американской куньей акуле. По результатам научных экспериментов с синими акулами стало ясно, что эти хищницы атакуют предпочтительно добычу, имитация которой создавалась электрическими полями. Добыча, имитируемая в эксперименте запахами, атаковалась реже.
Преимущества такой электролокационной охоты очевидны: благодаря ей электрические рыбы выживают за счёт хорошо маскирующихся жертв, которых другим способом обнаружить нельзя. Например, акула-молот так находит свою еду в мягком грунте.
Акула-молот – категория воспринимающих электрических рыб.
Активная электролокация
Принцип активной электролокации у рыб очень похож на эхолокацию, которой пользуются летучие мыши. Посылаемые в окружающее водное пространство электрические сигналы встречают на своём пути какие-либо объекты. Встреченный объект искажает электрическое поле, созданное рыбой, и она фиксирует это искажение, используя электрорецепторы на поверхности своей кожи. Так определяется местонахождение объекта и его габариты, и также электрические свойства. При помощи такой электролокации электрогенная рыба может получать очень разную информацию об окружающих объектах. Например, для слабоэлектрической отмечена способность отличать живой материал от неживого. Эти рыбки живут в мутных слабо освещённых водоёмах, и электролокация является лучшим способом ориентироваться в таких условиях. Электрический орган, создающий необходимые для этого электрические импульсы небольшой мощности, располагается в области хвостового стебля.
Рыба-слон – слабо-электрическая рыба.
С какими целями рыбы выпускают электрические сигналы?
Электрические импульсы генерируются рыбами для достижения разных целей, для каждой из которых создаются разные сигналы:
- Мощные разряды создаются электрическими органами для обездвиживания добычи и для защиты от врагов. Такие разряды могут убить другое живое существо.
- Менее мощные электрические импульсы являются средством общения электрогенных рыб.
Для общения генерируются сигналы с определёнными характеристиками. Это происходит постоянно, и от электрической рыбы идёт поток информации: видовая принадлежность генерирующей его особи, её готовности или не готовность к размножению, какова степень агрессивности. Если в стае данного вида существует внутривидовая иерархия, то сигнал даёт понимание социального статуса особи, отправившей его.
Изучение «рыбьего языка» очень сложный процесс, хотя учёные достигли определённых результатов и получили много интересной информации.
