GSA. Рыбьи тайны об электричестве
Какие тайны об электричестве скрывают рыбы от ученых
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.
