Hvordan hajer bruger Ohms lov og sandsynlighedsteori

I 1951 studerede den engelske videnskabsmand Lissman opførelsen af ​​gymnastens fisk. Denne fisk lever i uigennemsigtigt uigennemsigtigt vand i Afrikas søer og sumpe og kan derfor ikke altid bruge synet til orientering. Lissman foreslog, at disse fisk, ligesom flagermus, bruges til orientering ekkolokation.

Flagermusens fantastiske evne til at flyve i fuldstændigt mørke uden at støde på forhindringer blev opdaget for længe siden, i 1793, dvs. næsten samtidig med opdagelsen af ​​Galvani. Gjorde det Lazaro Spallanzani - Professor ved University of Pavia (den, hvor Volta arbejdede). Eksperimentelle beviser for, at flagermus udsender ultralyd og styres af deres ekko, blev kun opnået i 1938 ved Harvard University i USA, da fysikere skabte udstyr til registrering af ultralyd.

Efter at have testet den ultralydshypotese om gymnastens orientering eksperimentelt, afviste Lissman den. Det viste sig, at gymnastiksnoren er orienteret på en eller anden måde. Lissman studerede opførelsen af ​​gymnasten og fandt ud af, at denne fisk har et elektrisk organ og begynder at generere meget svag strømudladning i uigennemsigtigt vand. En sådan strøm er ikke egnet til hverken forsvar eller angreb. Derefter foreslog Lissman, at gymnastikken skulle have specielle organer til opfattelsen af ​​elektriske felter - sensorsystem.

Det var en meget dristig hypotese. Forskere vidste, at insekter ser ultraviolet lys, og mange dyr hører uhørlige lyde for os. Men dette var kun en lille udvidelse af rækkevidden i opfattelsen af ​​signaler, som folk kan opfatte. Lissman lod en helt ny type receptor eksistere.

Situationen blev kompliceret af, at fiskens reaktion på svage strømme på det tidspunkt allerede var kendt. Det blev observeret tilbage i 1917 af Parker og Van Heuser på havkat (alle havkat synes at have elektroreseptorer). Disse forfattere gav imidlertid deres observationer en helt anden forklaring. De besluttede, at ved at føre en strøm gennem vandet, ændres ionfordelingen i det, og dette påvirker vandets smag. Et sådant synspunkt syntes ganske plausibelt: hvorfor komme med nogle nye organer, hvis resultaterne kan forklares med velkendte almindelige smagorganer. Det er sandt, at disse videnskabsfolk ikke beviste deres fortolkning på nogen måde; de ​​satte ikke et kontroleksperiment. Hvis de skærer nerverne, der kommer fra smagens organer, så smagsoplevelsen i fisken forsvinder, ville de opdage, at reaktionen på strømmen fortsætter. Efter at have begrænset sig til en verbal forklaring af deres observationer, passerede de en stor opdagelse.

Lissman kom tværtimod op med en række forskellige eksperimenter og beviste efter et årti med arbejde sin hypotese. For omkring 25 år siden blev eksistensen af ​​elektroreceptorer anerkendt af videnskaben. Elektroreceptorer begyndte at blive undersøgt, og snart blev de fundet i mange hav- og ferskvandsfisk (hajer, stingrays, havkat osv.) Såvel som lampeys. For cirka 5 år siden blev sådanne receptorer opdaget hos padder (salamander og axolotl) og for nylig - hos pattedyr (duckbill).

Hvor er elektroreceptorerne placeret, og hvordan arrangeres de?

Fisk (og amfibier) har sidelinjemekanoreceptorer placeret langs kroppen og på hovedet af fisken; de opfatter bevægelsen af ​​vand i forhold til dyret. Elektroreseptorer er en anden type lateral liniereceptor. Under embryonal udvikling udvikler alle laterale liniereceptorer sig fra det samme område af nervesystemet som de auditive og vestibulære receptorer. Så de auditive flagermus og fiskelektreceptorer er nære slægtninge.

I forskellige fisk har elektroreceptorer forskellig lokalisering - de er placeret på hovedet, på finnerne, langs kroppen (undertiden i flere rækker), samt en anden struktur. Ofte danner elektroreceptorceller specialiserede organer. Vi betragter her et af sådanne organer, der findes i hajer og stingrays - Lorencini-ampullen (dette organ blev beskrevet af den italienske videnskabsmand Lorencini i 1678).

Lorencini troede, at ampuller er kirtler, der producerer fiskeslim (selvom de ikke udelukkede andre muligheder). Lorenzini-ampullen er en subkutan kanal, hvor den ene ende er åben for det ydre miljø (dets indløb kaldes undertiden poren), og den anden ender med en kedelig forlængelse (ampulle); kanalens lumen er fyldt med en gelélignende masse; elektroreceptorceller linjer "bunden" af ampullen i en række.

Det er interessant (faktisk en skæbne-ironi), at Parker, der først bemærkede, at fisk reagerer på svage elektriske strømme, også studerede Lorenzinis ampuller, men tilskrev dem helt forskellige funktioner. Han fandt, at ved at skubbe staven på kanalens ydre indgang ("tid"), kan der forårsages en hajreaktion (for eksempel en ændring i hjerterytmenes frekvens).

Fra sådanne eksperimenter konkluderede han, at Lorencini-ampullen er et manometer til måling af dybden af ​​nedsænkning af fisk, især da organets struktur lignede et manometer. Men denne gang viste Parkers fortolkning sig at være fejlagtig. Hvis du placerer en haj i et trykkammer og skaber øget tryk i det (simulerer en stigning i nedsænkningsdybde), reagerer Lorencini-ampullen ikke på det - og det kan gøres uden at eksperimentere: vandpresser fra alle sider, og der er ingen effekt). Og ved tryk kun på poren i geléen, der fylder den, opstår der en potentialforskel svarende til, hvordan en potentiel forskel opstår i en piezoelektrisk krystal (selvom den fysiske mekanisme af potentialforskellen i kanalen er forskellig).

Hvordan arrangeres Lorenzini-ampuller? Det viste sig, at alle cellerne i epitelets foring af kanalen er fast forbundet til hinanden ved hjælp af specielle "stramme kontakter", hvilket tilvejebringer en høj specifik modstand af epitelet (ca. 6 MOhm-cm2). En kanal belagt med så god isolering strækker sig under huden og kan være flere tituscentimeter lang. Tværtimod har geléen, der fylder kanalen i Lorenzini-ampullen, en meget lav modstand (i størrelsesordenen 30 Ohm-cm); dette sikres ved, at ionpumper pumpe en masse K + -ioner i kanalens lumen (koncentrationen af ​​K + i kanalen er meget højere end i havvand eller i fiskens blod). Således er kanalen i et elektrisk orgel et stykke af et godt kabel med høj isoleringsmodstand og en godt ledende kerne.

Amputens "bund" lægges i et lag af flere titusinder af elektroreceptorceller, som også er tæt limet sammen. Det viser sig, at receptorcellen i den ene ende ser inde i kanalen, og i den anden ende danner en synapse, hvor den ophidser en spændende mægler, der virker på en passende ende af nervefibren. Hver ampul er velegnet til 10 til 20 afferente fibre, og hver giver mange terminaler, der går til receptorerne, således at ca. 2.000 receptorceller virker på hver fiber (vær opmærksom på dette - dette er vigtigt!).

Lad os nu se, hvad der sker med selve elektroreseptorcellerne under påvirkning af et elektrisk felt.

Hvis nogen celle er placeret i et elektrisk felt, falder PP-tegnet sammen i den ene del af membranen med tegnet på feltstyrken, og i den anden viser det sig at være det modsatte. Dette betyder, at på den ene halvdel af cellen øges MP (membranen hyperpolariseres), og på den anden side formindskes (membranen depolariseres).

Handlingen af ​​det elektriske felt på cellen

Det viser sig, at hver celle "føler" elektriske felter, det vil sige, det er en elektroreseptor. Og det er klart: i dette tilfælde forsvinder problemet med at konvertere et eksternt signal til et naturligt signal for cellen - det elektriske -.Således fungerer elektroreceptorceller meget enkelt: med det passende tegn på det ydre felt depolariseres disse cellers synaptiske membran, og denne ændring af potentialet styrer frigørelsen af ​​mediatoren.

Men så opstår spørgsmålet: hvad er funktionerne i elektro-receptorceller? Kan nogen neuron udføre deres funktioner? Hvad er det specielle arrangement med Lorenzini-ampuller?

Ja, kvalitativt kan enhver neuron betragtes som en elektroreseptor, men hvis vi henvender os til kvantitative estimater, ændrer situationen sig. Naturlige elektriske felter er meget svage, og alle de tricks, som naturen bruger i elektrosensitive organer, er for det første rettet mod at fange den største potentialeforskel på den synaptiske membran, og for det andet at sikre høj følsomhed hos mediatorfrigørelsesmekanismen til at ændre sig MT.

De elektriske organer fra hajer og stingrays har ekstremt høj (vi kan sige, fantastisk høj!) Følsomhed: fisk reagerer på elektriske felter med en intensitet på 0,1 μV / cm! Så problemet med følsomhed løses strålende i naturen. Hvordan opnås sådanne resultater?

For det første bidrager enheden til Lorenzini-ampullen til denne følsomhed. Hvis feltstyrken er 0,1 μV / cm, og kanalens længde på ampullen er 10 cm, er en potentialeforskel på 1 μV nødvendig for hele ampullen. Næsten al denne spænding vil falde på receptorlaget, da dens modstand er meget højere end mediets modstand i kanalen.

Hajen bruger direkte Ohms lov: V = IR, da strømmen i kredsløbet er den samme, er spændingsfaldet større, hvor modstanden er højere. Jo længere ampullekanalen er, og jo lavere dens modstand, desto større leveres potentialeforskellen til elektroreseptoren.

For det andet er Ohms lov "anvendt" af elektroreceptorerne selv. Forskellige sektioner af deres membran har også forskellig modstand: den synaptiske membran, hvor mægleren skiller sig ud, har en høj modstand, og den modsatte del af membranen er lille, så her fordeles den potentielle forskel mere fordelagtigt.

Hvad angår følsomheden af ​​den synaptiske membran over for MP-forskydninger, kan det forklares af forskellige grunde: kanalerne i denne membran eller selve mediatorudkastmekanismen kan have høj følsomhed over for potentielle skift.

En meget interessant version af forklaringen på den høje følsomhed ved frigørelse af mægler over for MP-skift blev foreslået af A. L. Call. Hans idé er, at ved sådanne synapser strømmer strømmen fra den postsynaptiske membran ind i receptorcellerne og fremmer frigørelsen af ​​mediatoren; som et resultat opstår en positiv feedback: frigørelsen af ​​mægleren forårsager en PSP, mens strømmen flyder gennem synapsen, og dette forbedrer frigørelsen af ​​mægleren.

I princippet skal en sådan mekanisme nødvendigvis fungere. Men i dette tilfælde er spørgsmålet kvantitativt: hvor effektiv er en sådan mekanisme til at spille en slags funktionel rolle? For nylig har A. L. Vyzov og hans medarbejdere været i stand til at få overbevisende eksperimentelle data, der bekræfter, at en sådan mekanisme virkelig fungerer i fotoreseptorer.