Чувствительность рыб к электромагнитным полям


Электромагнитная сенсорика рыб

Электромагнитные поля широко распространены в природе. Земля имеет собственное магнитное поле. Ионосфера Земли насыщена электрическими токами, постоянно подпитываемыми из Космоса. Электрические и магнитные явления связаны между собой. Магнитное поле Земли, величина и направление которого меняются во времени, способствует возникновению электрических полей (закон Фарадея). Единство этих двух физических явлений отразилось и на механизме восприятия рыбами электрических и магнитных полей. Электрорецепция. Функционирование всех органов рыб и особенно органов, состоящих из возбудимых тканей, сопровождается образованием электрических и магнитных полей. Для морской воды характерен электрический потенциал 0,1-0,5 мкВ/см, созданный течением. Водная среда, в которой обитают рыбы, обладает высокой электропроводностью. Поэтому вполне закономерно, что электромагнитные поля играют важную роль в жизни рыб. Электрический потенциал воды может выполнять роль своеобразных маяков при миграциях рыб. Электрическую реактивность (электрораздражимость) рыб принято делить на три уровня.

Первый (нижний) уровень (порог) ее характеризуется легким подергиванием всего тела или его части. Для большинства рыб нижний порог электрораздражимости оценивают в 10-100 мВ/см. Второй уровень (гальванотаксис) проявляется в направленной локомоторной реакции на действие электрического раздражителя.

Третий уровень - электрошок - это ответ рыбы на раздражитель сверхпороговой величины.

Существуют виды, у которых в процессе эволюции сформировались высокоспециализированные электрические органы, обеспечивающие электромагнитную рецепцию или генерирующие электрические импульсы различной величины. Их довольно много (около 300 морских и пресноводных видов). Различают 3 группы рыб.

В первую группу входят сильноэлектрические виды с хорошо развитыми специализированными электрическими органами (создают импульсы 100-400 В), во вторую - слабоэлектрические виды, имеющие биологические электрогенераторы (создают импульсы до 1 В).

У сильноэлектрических видов нижний порог электрочувствительности на 3-4 порядка выше, чем у слабоэлектрических. Например, для отпугивания акул достаточно создать градиент напряжения 10-100 мкВ/см.

Неэлектрические виды без специализированных электрических органов (большая часть ихтиофауны) создают поля с напряжение от нескольких микровольт до сотен милливольт.

Группу сильноэлектрических рыб представляют электрические скаты, электрические угри (пресноводные), электрический сом из водоемов Африки, Все они являются активными хищниками и генерируют мощные электрические разряды (до 600 В с силой тога до 1 А) для поражения своей жертвы на расстоянии нескольких метров или для собственной защиты от более крупных хищником Поражающий эффект этих хищников таков, что человек, попадающий в их электрическое поле, подвергается мышечному параличу и временно теряет сознание.

Группа слабоэлектрических видов более многочисленна. Это пресноводные рыбы отряда мормирид, которые практически непрерывно генерируют слабые ритмичные импульсы от 0,3 до 12 В. доказано, что эти рыбы используют электрические импульсы для внутри- и межвидового общения.

Неэлектрические виды наиболее заметные электрические импульсы генерируют в состоянии большого напряжения: при бросках на жертву (щука), агрессивно- оборонительных реакциях (форель, окунь), нересте (все рыбы). Доказано, что параметры импульсов этих видов рыб (амплитуда, частота, время электроимпульса) зависят от функционального состояния и температуры воды. Хищники и ночные рыбы по сравнению с мирными и дневными рыбами имеют более сильные электромагнитные поля. В табл. 2.6 приведены характеристики электрических разрядов неэлектрических (пресноводных) рыб.

2.6. Электрические разряды неэлектрических рыб

Вид рыбы

Поведенческая ситуация Напряженность электрического поля, мкВ/см Продолжительность разряда, мс

Диапазон частот, Гц

Вьюн

Испуг 15 50-85

0-10000

Окунь речной

« 15 45

0-10000

Щука

» 8-10 120-280

0-10000

Карась

» 8 8

0-10000

Судак

Удар 65* 50

0-10000

Угорь

Кормление 1500* 8

0-10000

Осетр

Удар 90* 135

0-10000

*Величина разницы потенциала.

Биологическое значение электрических явлений у неэлектрических рыб выражается в ориентации и коммуникации отдельных особей, а также осуществлении межгрупповых коммуникаций внутри стаи или скоплении рыбы. Электрическая чувствительность этих рыб изменяется в процессе онтогенеза. Например, у горбуши и семги она составляет1х10-8 А/мм2 (у молоди она в несколько раз меньше, чем у половозрелых особей). Кроме того, нижний порог чувствительности возрастает с повышением температуры среды. На этот показатель положение тела рыбы относительно линий тока, а также удельное сопротивление воды, свою очередь, рецепторная чувствительность к электромагнитным явлениям рыб обратно пропорциональна их электрогенерирующей способности. Так, сильноэлектрические рыбы, например акулы и скаты, реагируют на электрические поля напряженностью 0,01 мкВ/см. Поэтому этим рыбам доступны электрические поля, исходящие от затаившейся жертвы, в результате работы дыхательных мышц и сердца.

Слабоэлектрические виды, например минога и химера, чувствительны к электрическим полям напряженностью 0,1?0,2мкВ/см.

Органы, генерирующие и рецептирующие электрические импульсы, разделены. Например, электрические органы скатов имеют почкообразную форму и достигают 25 % массы тела рыбы. Они расположены по бокам тела на участке от головы до грудных плавников

У электрических угрей электрогенерирующие органы также очень крупные, тянущиеся по бокам тела.

Электрический орган электрического сома имеет вид длинного тяжа, расположенного практически вдоль всего тела между кожей и мышцами по обеим сторонам. У слабоэлектрических видов рыб мормирид электрические органы расположены на хвосте. У неэлектрических видов рыб электрические импульсы генерируются скелетной мускулатурой и сердцем.

Электрорецепторный аппарат представлен различными образованиями боковой линии (у скатов и акул, например, ампулам Лоренцини). Магниторецепция. Согласно результатам исследований рыбы, чувствительны и к чисто магнитным полям. Реакция на изменение магнитных полей подробно изучена у сильноэлектрических рыб особенно у акул и скатов. В литературе описана реактивность и неэлектрических видов рыб к магнитным полям. Источниками магнитных полей (рис. 2.27) в водоеме являются магнитное поле Земли, изменение активности Солнца, а также перемещения масс воды и движения самих рыб. Несмотря на то, что магнитное поле Земли хорошо изучено и измерено (см рис. 2.27), причина его формирования остается неясной. Современная измерительная техника позволяет утверждать, что источник регистрируемого на поверхности Земли магнитного поля рас положен внутри земного шара. Внешние источники лишь вызывают колебания напряженности магнитного поля Земли. Наиболее известна гипотеза геомагнитного поля, согласно которой его источником служит некое самовозбуждающееся гидромагнитное динамо, генерирующее электрический ток, который, в свою очередь, индуцирует магнитное поле. Данная модель, однако, не объясняет причины изменения магнитного поля во времени происхождение магнитных аномалий Земли.

Магнитные аномалии Земли и по сей день доставляют человечеству и животному миру большие неприятности. Так, в районе о. Маврикий, в Бермудском треугольнике, у финского о. Юссаро в районе Огненной Земли магнитный компас не работает, электронные навигационные приборы дают сбои. В условиях видимости здесь происходят кораблекрушения.

Рис. 2.27. Магнитное поле Земли

Магнитная аномалия, с одной стороны, может помешать мигрирующим животным в ориентации. С другой стороны, магнитная аномалия может быть использована в качестве маяка на маршруте движения. На Аляске магнитная аномалия Земли такова, что почтовые голуби в этом районе сбиваются с пути. А вот морские животные (китообразные, рыбы) используют это природное явление для навигации. На рис 2.28 показана магнитная аномалия в районе кию побережья Великобритании. В этом месте наблюдают странности в поведении мигрирующих животных. Например, здесь очень часто происходят выбросы китов на берег. В этом районе сбиваются с курса почтовые голуби. Кстати, небезызвестную собаку Баскервиллей автор поместил в район этой магнитной аномалии, в известное по девонскому периоду графство Девон. Магнитные аномалии отмечены и в других районах (Курская аномалия, Бразильская аномалия, Бермудский треугольник).

Попадая в область магнитных аномалий, перелетные птицы сбиваются с маршрута, т.е. становятся неспособными использовать магнитное поле для ориентации. Тот факт, что магнитное поле Земли существовало задолго до возникновения жизни на ней, свидетельствует о том, что процесс эволюции животного мира на протяжении всей своей истории находился под влиянием этого фактора внешней среды. В настоящее время влияние магнитного поля на физиологию животных не вызывает сомнений, так как магниторецепция обнаружена во многих систематических группах живых организмов, начиная с бактерий и кончая млекопитающими.

В последнее время изменения активности Солнца очень значительно отслеживаются

физиками. Для этих изменений характерна определенная цикличность, которая определяет цикличность изменений многих параметров среды обитания живых существ на нашей планете. Так, пищевая активность рыб часто связана со вспышками на Солнце, что хорошо известно рыбакам. Ионосфера Земли улавливает влияние солнечных и лунных приливных сил. Поэтому магнитное поле Земли проявляет малоамплитудные изменения с периодами, равными солнечным и лунным суткам, синодическому месяцу и тропическому году. Точность этих колебаний магнитосферы Земли чрезвычайно высока. Колебания магнитного поля могут служить синхронизатором биологических часов, давать возможность всем чувствительным организмам, включая рыб, отмечать ход времени.

С помощью условных рефлексов доказано, что не только пластинчатожаберные, но и костистые рыбы, например лососевые, угреобразные, реагируют на изменение магнитного поля и изменяют свою пространственную ориентацию в магнитных полях искусственного происхождения. В природе известно несколько типов вариаций магнитного поля.

Во-первых, это суточные изменения, обусловленные прохождением солнечных ветров через ионосферу и магнитосферу Земли.

Во-вторых, это короткопериодные геомагнитные флуктуации собственного магнитного поля Земли, имеющие суточную периодичность. В-третьих, это магнитные бури, возникающие эпизодически в результате взаимодействия магнитосферы Земли с потоками электронов и протонов, излучаемых Солнцем (вспышки на Солнце).

Все три типа магнитных возмущений приводят к образованию в земной коре и морской воде так называемых теллурических токов.

Градиент потенциала теллурических токов имеет суточные колебания в 0,01-0,1 мкВ/см. Во время магнитных бурь флуктуации теллурических токов многократно возрастают, достигая 0,1 - 100кВ/см. Градиент теллурических токов существенно выше вблизи берега и вдоль континентального шельфа. Это объясняет привязанность миграционных маршрутов многих птиц и рыб к береговой линии или шельфу.

Теллурические токи, являющиеся пороговыми раздражителями для рыб, используются мигрирующими рыбами для привязки к определенному маршруту. Доказано изменение электрической активности ампул Лоренцини акул при флуктуациях теллурических токов.

Для других таксономических групп организмов убедительно оказано, что геомагнитное поле Земли является фактором внешней среды, который используется ими для ориентации в пространстве. Это, прежде всего, относится к видам животных, совершающим длительные миграции (перелетные птицы, насекомые, млекопитающие, ведущие ночной или подземный образ жизни). Трудно удержаться от предположения, что и мигрирующие виды используют магнитное поле Земли для ориентации.

Магниторецепция сильно выражена не только у мигрирующих животных, но и обнаружена у видов, обитающих в условиях плохой освещенности, имеющих слабое зрение, - норных грызунов, пещерных жи-вотных, летучих мышей. Известно немало примеров миграций рыб, которые нельзя объяснить лишь использованием ими в пути зрительной и химической рецепции. Так, угорь европейский совершает сложный путь из Саргассова моря в Европу, не сбиться с которого, опираясь только на зрительную и химическую рецепцию невозможно. Биология угря во многом остается неясной. Так, хотя и считается, что европейский речной угорь нерестится в Саргассовом море, однако до сих пор в местах нереста не было выловлено ни одной половозрелой особи. Интересно, что личинки речного угря на разной стадии развития обнаруживаются в районах со строго определенным напряжением магнитного поля Земли (см. рис. 2.27). Концепция трехлетнего пассивного дрейфа личинок угря в течении Гольфстрим к берегам Европы выглядит малоубедительной.

Тихоокеанские лососи очень быстро и безошибочно совершают тысячекилометровые броски от побережья Северной Америки в Тихий океан и обратно. Полосатый тунец и меч-рыба совершают ежедневные перемещения из океана на прибрежные мелководья независимо от освещенности или мутности воды в океане.

Причем многие пелагические рыбы обладают уникальной генетически детерминированной способностью долго сохранять постоянный компасный курс, удержать который, используя небесные и наземные ориентиры, невозможно. Например, меч-рыба может выдерживать постоянный курс в открытом океане на протяжении нескольких суток. Такой же способностью к навигации в море обладает и атлантический лосось.

Рис. 2.29 Миграционные пути угря

До недавнего времени на морских судах для навигации использовали в основном компас и карту. Другого способа удержать правильный курс в открытом море при плохой видимости (отсутствие звездного неба, Луны, Солнца) у моряков не было. Следовательно, и у рыб должен быть механизм ориентации в открытом пространстве с ограниченной видимостью, аналогичный компасу и карте. Он может состоять из рецепторного аппарата, карты электромагнитного поля Земли и центрального аппарата сравнения.

Механизм магниторецепции. У рыб (тунцы, угри, лососи, скаты, акулы) обнаружены ткани и органы с магнитными свойствами. Табл. 2.7 на примере желтоперого тунца дает представление о магнитных свойствах некоторых тканей и органов рыб.

2.7. Магнитные свойства тканей и органов желтоперого тунца

Ткани и органы

Магнитный момент,** пА м

Магнитная индукция

Кишечник

14,5

4,8

Белые мышцы

155,0

5,7

Красные мышцы

184,0

3,5

Жабры

95,0

20,6

Кожа

41,7

35,7

Сергии

500,0

4,5

Глаз

1242,5

13,7

Решетчато-обонятельная кость

1320,6

127,0

* М. М. Уокер, Д. Л. Киршвинк, Э. Э. Дайзон, 1989

** Приставка "п" - "пико" (1012).

Наиболее ярко выраженными магнитными свойствами у рыб отличается передняя часть головы. Более детальный анализ показал, что магнитный материал рыб концентрируется в области решетчато-обонятельной кости. Анализ ряда видов рыб из пяти семейств показал, что их решетчато-обонятельная кость отличается высокими магнитными характеристиками. Однако наибольший магнитный момент этой части черепа зафиксирован у видов рыб, совершающих длительные миграции (голубой марлин, тунцы, лососи, угорь).

Магнитный материал решетчато-обонятельной кости выделен и изучен. Это магнетит - кристаллы с магнитными свойствами, заполняющие решетку кости. Химический состав магнетита рыб идентичен составу магнетитных структур насекомых, пресмыкающихся и птиц, и представлен оксидами железа, марганца и кальция (табл. 2.8).

Форма кристаллов размером 45х38нм близка к кубической. Правильная форма, химическая и пространственная однородность у разных видов позвоночных животных, занимающих разное эволюционное положение, подчеркивают их эндогенное биогенное происхождение, т.е. синтез на органической матрице костей.

2.8. Химический состав магнетитных кристаллов тунца

Оксид Массовая доля, %

FeO       86,3

МnО      0.2

CaО       0,2

Всего    86,7

Магнетитные кристаллы находятся во взаимодействии друг с другом посредством собственных магнитных полей. При изменении внешнего магнитного поля отдельные кристаллы способны поворачиваться наподобие стрелки компаса, изменяя при этом свое собственное поле и суммарное поле решетчатой кости. Ферромагнитная гипотеза магниторецепции позволяет объяснить реактивность рыб на магнитные поля и использование рыбами магнитных полей для навигации. Однако до сих пор не описана анатомическая структура, в которой происходит трансформация магнитного поля в потенциал действия, т.е. в нервный импульс. Гипотетически магниторецептор рыбы может иметь следующую схему (рис. 2.30). Поворот кристалла магнетита раздражает чувствительное окончание дендрита нейрона. В результате образовавшийся потенциал действия возбуждает нейрон. В магнитной решетке решетчатой кости ориентация и величина магнитного напряжения отдельных кристаллов магнетита генетически детерминированы. Однако экологические условия, в которых растет молодь, могут внести поправку в структуру решетки и напряженность кристаллов.

Суммарное магнитное напряжение магнитной решетки рыбы может быть достаточно высоким. Поэтому изменение напряженности магнитного поля рыбы, например, при изменении солнечной активности может привести ее в состояние тревоги, дискомфорта. Отсюда, снижение кормовой активности рыб, что рыбаки оценивают как отсутствие клева.

Магнитная решетка может выполнять и функцию своеобразной навигационной карты. Перед миграцией магнитное напряжение отдельных кристаллов магнетита и суммарное магнитное поле всей решетки настраиваются относительно магнитных линий Земли на пути предстоящей миграции. Отклонение от генетически детерминированного маршрута приводит к напряжению магнитного поля рыбы,


Рис.2.30. Гипотетическая схема магниторецептора

что она оценивает как дискомфортное состояние. Выйти из него можно лишь одним способом - привести кристаллы решетки в исходное напряжение, а это, в свою очередь, возможно только через изменение положения тела относительно магнитных линий Земли, т.е. рыба вынуждена вернуться на заданный маршрут. Наличие магниторецепторов решетчатой кости объясняет реактивность к электромагнитным полям неэлектрических и слабоэлектрических видов рыб. У сильноэлектрических видов рыб рецепция магнитного поля осуществляется боковой линией рыб и производными от нее структурами. В магнитном поле тело рыбы является источником индукционных электрических полей, которые фиксируются структурами боковой линии. В опытах на скатах показано, что электрическая активность ампул Лоренцини изменяется как в электромагнитном поле, так и в поле постоянного магнита.

Интересно, что реакции рыб на изменение магнитного поля зависят еще и от движения воды. Так, у ската реакция на магнитное поле в искусственном водоеме возникала тогда, когда ампулярный канал рецептора (ампулы Лоренцини) находился под углом к направлению тока воды. Если канал располагался вдоль водного потока, электроактивность ампул Лоренцини на изменение магнитного поля не регистрировалась. Следовательно, морские течения при миграциях рыб могут выполнять функцию корректировки направления движения рыб. Некоторые специалисты высказывают мнение о том, что кроме описанных выше структур лабиринт является морфологической основой вероятной магниторецепции. Однако экспериментальных доказательств участия полукружных каналов в магниторецепции у рыб для этого недостаточно. Их связь с рецепцией магнитных полей у диких перелетных птиц и почтовых голубей убедительно доказана многочисленными экспериментами. Имеются указания и на то, что изменение напряженности магнитного поля приводит к изменению возбудимости узлов симпатической нервной системы без промежуточной магниторецепции. Известно, что магнитное поле влияет на движение любого электрического заряда или частицы. Следовательно, реакция на магнитное поле организмом осуществляется и без специфических рецепторов. Мембранный потенциал, круговые токи, электрические явления в сердечной мышце и в нейронах изменяются в магнитном поле. Электрочувствительные органы также могут информировать об изменении магнитного поля. Изменения самочувствия человека, поведения домашних животных при изменениях геомагнитной обстановки общеизвестны. Изменение электромагнитного поля Земли перед глобальными катастрофами - землетрясениями, извержениями вулканов, ураганами- сопровождается этологическими аномалиями животных разного уровня организации (от муравьев до приматов). Массовую гибель животных, как и появление новых видов на Земле, многие исследователи связывают именное внезапно возникшими электромагнитными аномалиями, которые лишают животных пространственной и временной ориентации.

Магнитная афферентация, как и всякая другая сенсорная информация, поступает в промежуточный мозг. Вероятно, к магнитосенсорике имеет отношение эпифиз. У почтовых голубей, морских свинок и крыс наблюдали повышение электрической активности эпифиза в искусственном магнитном поле. У крыс искусственное магнитное поле изменяло секреторную активность эпифиза. В ночное время 15-минутная магнитная экспозиция повышала активность фермента ацетилтрансферазы и образование гормона мелатонина в эпифизе. Таким образом, таламус получает информацию об изменении геомагнитного поля по двум традиционным каналам - нервному и гуморальному.

Принимая во внимание, что электроактивность эпифиза возрастает и при световой стимуляции, можно предположить, что эпифиз причастен к афферентному синтезу при позиционировании рыбы в процессе навигации. При этом магнитосенсорная афферентация может играть ключевую роль.

Таким образом, теллурические токи, магнитные поля и флуктуация электромагнитного поля Земли, морские течения, световые и химические раздражители, а также соответствующие им сенсорные органы создают объективные предпосылки для механизма точного географического позиционирования и навигации у мигрирующих рыб.



Реклама