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.
В теплых и тропических морях, в мутных реках Африки и Южной Америки живет несколько десятков видов рыб, способных временами или постоянно испускать электрические разряды разной силы. Своим электрическим током эти рыбы не только пользуются для защиты и нападения, но и сигнализируют им друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия (электролокация). Электрические органы встречаются только у рыб. У других животных эти органы пока не обнаружены.
Электрические рыбы существуют на Земле уже миллионы лет. Их остатки найдены в очень древних слоях земной коры - в силурийских и девонских отложениях. На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската торпедо. В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей-натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи древнего Рима держали этих скатов у себя в больших аквариумах. Они пытались использовать торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали. Даже в наше время на побережье Средиземного моря и атлантическом берегу Пиренейского полуострова пожилые люди бродят иногда босиком по мелководью, надеясь излечиться от ревматизма или подагры электричеством торпедо.
Электрический скат торпедо.
Очертания тела торпедо напоминают гитару длиной от 30 см до 1,5 м и даже до 2 м. Его кожа принимает цвет, сходный с окружающей средой (см. ст. «Окраска и подражание у животных»). Различные виды торпедо живут в прибрежных водах Средиземного и Красного морей, Индийского и Тихого океанов, у берегов Англии. В некоторых бухтах Португалии и Италии торпедо буквально кишат на песчаном дне.
Электрические разряды торпедо очень сильны. Если этот скат попадет в рыбачью сеть, его ток может пройти по влажным нитям сети и ударить рыбака. Электрические разряды защищают торпедо от хищников - акул и осьминогов - и помогают ему охотиться за мелкой рыбой, которую эти разряды парализуют или даже убивают. Электричество у торпедо вырабатывается в особых органах, своеобразных «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества. Столбики отделены друг от друга плотными перегородочками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний.
Скат дископиге глазчатый.
За несколько десятков секунд торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюхи к спине. Напряжение тока у разных видов скатов колеблется от 80 до 300 В при силе тока в 7-8 А. В наших морях живут несколько видов колючих скатов райя, среди них черноморский скат - морская лисица. Действие электрических органов у этих скатов гораздо слабее, чем у торпедо. Можно предполагать, что электрические органы служат райя для связи друг с другом, вроде «беспроволочного телеграфа».
В восточной части тихоокеанских тропических вод живет скат дископиге глазчатый. Он занимает как бы промежуточное положение между торпедо и колючими скатами. Питается скат мелкими рачками и легко их добывает, не применяя электрического тока. Его электрические разряды никого не могут убить и, вероятно, служат лишь для того, чтобы отгонять хищников.
Скат морская лисица.
Электрические органы есть не только у скатов. Тело африканского речного сома малаптеруруса обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома. Напряжение разрядов его достигает 360 В, оно опасно даже для человека и, конечно, гибельно для рыб.
Ученые установили, что африканская пресноводная рыба гимнархус всю жизнь непрерывно испускает слабые, но частые электрические сигналы. Ими гимнархус как бы прощупывает пространство вокруг себя. Он уверенно плавает в мутной воде среди водорослей и камней, не задевая телом ни за какие препятствия. Такой же способностью наделены африканская рыба мормирус и родственники электрического угря - южноамериканские гимноты.
Звездочет.
В Индийском, Тихом и Атлантическом океанах, в Средиземном и Черном морях живут небольшие рыбы, до 25 см, редко до 30 см длиной, - звездочеты. Обычно они лежат на прибрежном дне, подкарауливая проплывающую сверху добычу. Поэтому их глаза расположены на верхней стороне головы и смотрят вверх. Отсюда происходит название этих рыб. Некоторые виды звездочетов имеют электрические органы, которые находятся у них на темени, служат, вероятно, для сигнализации, хотя их действие ощутимо и для рыбаков. Тем не менее рыбаки беспрепятственно вылавливают немало звездочетов.
В южноамериканских тропических реках живет электрический угорь. Это серо-синяя змееобразная рыба длиной до 3 м. На долю головы и грудобрюшной части приходится лишь 1 / 5 ее тела. Вдоль остальных 4 / 5 тела с обеих сторон расположены сложные электрические органы. Они состоят из 6-7 тыс. пластинок, отделенных друг от друга тонкой оболочкой и изолированных прокладкой из студенистого вещества.
Пластинки образуют своего рода батарею, разряд которой направлен от хвоста к голове. Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Плохо приходится от угрей и людям, купающимся в реке: электрический орган угря развивает напряжение в несколько сотен вольт.
Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда он изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо. Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости.
Этим свойством можно воспользоваться. Разряжая в воду любой источник электричества, удается привлечь целое стадо угрей, надо только подобрать соответствующие напряжение тока и частоту разрядов. Мясо электрического угря в Южной Америке едят. Но ловить его опасно. Один из способов ловли рассчитан на то, что угорь, разрядивший свою батарею, надолго становится безопасен. Поэтому рыбаки поступают так: в реку загоняют стадо коров, угри нападают на них и расходуют свой запас электричества. Прогнав коров из реки, рыбаки бьют угрей острогами.
Подсчитано, что 10 тыс. угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезду пришлось бы стоять несколько суток, пока угри восстановили бы свой запас электрической энергии.
Исследования советских ученых показали, что многие из обычных, так называемых неэлектрических рыб, которые не имеют специальных электрических органов, все же в состоянии возбуждения способны создавать в воде слабые электрические разряды.
Эти разряды образуют вокруг тела рыб характерные биоэлектрические поля. Установлено, что слабые электрические поля есть у таких рыб, как речной окунь, щука, пескарь, вьюн, карась, красноперка, горбыль и др.
Расскажите об электрических рыбах. Какой величины ток они вырабатывают?
Электрический сом.
Электрический угорь.
Электрический скат.
В. Кумушкин (г. Петрозаводск).
Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю, живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы - преобразованные мышцы - располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус - в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей - до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.
В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба - электрический сом. Размеры его поменьше - от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.
Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.
Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты. Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу (других рыб) разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.
Помимо электрических зарядов большой силы рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы и гимнархи, обитающие в мутных водах рек, озер и болот Африки.
Вообще же, как показали экспериментальные исследования, практически все рыбы, и морские, и пресноводные, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.
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.
Разность потенциалов на концах электрических органов может достигать 1200 вольт, а мощность разряда в импульсе — от 1 до 6 киловатт. Частота импульсов зависит от их назначения. Например, электрический скат испускает 10—12 импульсов, когда защищается, и от 14 до 562, когда нападает. Мощность напряжения в разряде у разных рыб колеблется от 20 до 600 вольт. Среди морских рыб самый «сильный» электрический орган у ската Torpedo maromata — он может генерировать разряд более 200 вольт. Электричество защищает его и от акул, и от осьминогов, а также позволяет охотиться на мелких рыб.
У пресноводных рыб разряды еще мощнее. Дело в том, что соленая вода лучше проводит электричество, чем пресная. Поэтому морским рыбам, чтобы оглушить противника, требуется меньше энергии. Одна из самых опасных пресноводных рыб — это электрический угорь из Амазонки. На его теле три электрических органа. Два из них для навигации и поиска добычи, а третий представляет собой мощнейшее оружие с напряжением более 500 вольт. Электрический удар такой силы не только убивает рыбу и лягушек, но даже может нанести серьезный вред человеку. Поэтому ловить амазонских угрей очень опасно. Для этого в реку загоняют стадо коров, чтобы угри истратили на них весь свой заряд. Только после этого люди заходят в воду.
Некоторые рыбы используют электричество для навигации. Например, нильский слоник или рыба-нож создают вокруг себя электромагнитное поле. Когда в него попадает посторонний объект, рыба сразу это чувствует. Такая навигационная система напоминает эхолокацию летучих мышей. Она позволяет хорошо ориентироваться в мутной воде. Как показали исследования, многие электрические рыбы настолько чувствительны к изменению электромагнитных полей, что способны «предвидеть» приближающееся землетрясение.
