Электрорецепция и электрогенез — это тесно связанные биологические способности воспринимать электрические стимулы и генерировать электрические поля . Оба используются для обнаружения добычи; Более сильные электрические разряды используются некоторыми группами рыб (наиболее известным из которых является электрический угорь , который на самом деле не угорь , а рыба-нож ) для оглушения добычи. Эти способности обнаруживаются почти исключительно у водных или амфибийных животных, поскольку вода является гораздо лучшим проводником электричества, чем воздух. При пассивной электролокации объекты, такие как добыча, обнаруживаются путем измерения создаваемых ими электрических полей. При активной электролокации рыбы генерируют слабое электрическое поле и ощущают различные искажения этого поля, создаваемые объектами, проводящими или сопротивляющимися электричеству. Активную электролокацию практикуют две группы слабоэлектрических рыб — Gymnotiformes (рыбы-ножи) и Mormyridae (рыбы-слоны), а также Gymnarchus niloticus — африканская рыба-нож. Электрическая рыба генерирует электрическое поле с помощью электрического органа , модифицированного из мышц ее хвоста. Поле называется слабым, если его достаточно только для обнаружения добычи, и сильным, если оно достаточно мощное, чтобы оглушить или убить. Поле может представлять собой короткие импульсы, как у рыб-слонов, или непрерывную волну, как у рыб-ножей. Некоторые рыбы с сильным электрическим током, такие как электрический угорь , находят добычу, создавая слабое электрическое поле, а затем сильно разряжают свои электрические органы, чтобы оглушить добычу; другие рыбы с сильным электрическим током, такие как электрический скат , проводят электролокацию пассивно. Звездочеты уникальны тем, что обладают сильным электричеством, но не используют электролокацию .
Электрорецептивные ампулы Лоренцини возникли на ранних этапах истории позвоночных; они встречаются как у хрящевых рыб , таких как акулы , так и у костных рыб, таких как латимерия и осетровые , и поэтому должны быть древними. Большинство костных рыб вторично утратили ампулы Лоренцини, но неоднократно развивались и другие негомологичные электрорецепторы, в том числе у двух групп млекопитающих — однопроходных ( утконосы и ехидны ) и китообразных ( гвианские дельфины ).
В 1678 году итальянский врач Стефано Лоренцини , препарируя акул, обнаружил на их головах органы, которые теперь называются ампулами Лоренцини. Свои выводы он опубликовал в журнале Osservazioni intorno alle torpedini . [3] Электрорецептивная функция этих органов была установлена Р.В. Мюрреем в 1960 году. [4] [5]
В 1921 году немецкий анатом Виктор Франц описал кнолленорганы (бугорчатые органы) в коже рыб-слонов , опять же без знания их функции в качестве электрорецепторов. [6]
В 1949 году украинско-британский зоолог Ганс Лиссман заметил, что африканская рыба-нож ( Gymnarchus niloticus ) способна плавать задом наперед с такой же скоростью и с такой же ловкостью, огибая препятствия, как и когда она плыла вперед, избегая столкновений. В 1950 году он продемонстрировал, что рыба создает переменное электрическое поле и что рыба реагирует на любое изменение электрического поля вокруг нее. [2] [7]
Электрорецептивные животные используют чувства, чтобы находить объекты вокруг себя. Это важно в экологических нишах , где животное не может зависеть от зрения: например, в пещерах, в мутной воде и ночью. Электролокация может быть пассивной, воспринимающей электрические поля, например, генерируемые движениями мышц закопанной добычи, или активной, когда электрогенный хищник генерирует слабое электрическое поле, позволяющее ему различать проводящие и непроводящие объекты поблизости. [9]
При пассивной электролокации животное ощущает слабые биоэлектрические поля , генерируемые другими животными, и использует их для их обнаружения. Эти электрические поля генерируются всеми животными вследствие активности их нервов и мышц. Вторым источником электрических полей у рыб является ионный насос, связанный с осморегуляцией жаберной мембраны . Это поле модулируется открытием и закрытием рта и жаберных щелей. [10] [11] Пассивная электрорецепция обычно опирается на ампулярные рецепторы, такие как ампулы Лоренцини, которые чувствительны к низкочастотным стимулам, ниже 50 Гц. Эти рецепторы имеют желеобразный канал, ведущий от сенсорных рецепторов к поверхности кожи. [8] [9]
При активной электролокации [12] животное ощущает окружающую среду, генерируя слабые электрические поля (электрогенез) и обнаруживая искажения в этих полях с помощью электрорецепторных органов. Это электрическое поле генерируется с помощью специального электрического органа , состоящего из модифицированных мышц или нервов. [13] К животным, использующим активную электрорецепцию, относятся слабоэлектрические рыбы , которые либо генерируют небольшие электрические импульсы (так называемые «импульсные»), как у Mormyridae, либо производят квазисинусоидальный разряд из электрического органа (называемый «волновым типом»). тип»), как у Gymnotidae. [14]
Многие из этих рыб, такие как Gymnarchus и Apteronotus , сохраняют свое тело довольно жестким, плавая вперед и назад с одинаковой легкостью благодаря волнообразным плавникам , которые простираются на большую часть длины их тела. Плавание задом наперед может помочь им искать и оценивать добычу с помощью электросенсорных сигналов. Эксперименты Ланну и Ланну в 1993 году подтверждают предположение Лиссмана о том, что этот стиль плавания с прямой спиной эффективно работает, учитывая ограничения активной электролокации. Apteronotus может отбирать и ловить более крупных дафниевых водяных блох среди более мелких, и они не различают искусственно затемненных водяных блох, в обоих случаях с освещением или без него. [7] [15]
Эти рыбы создают потенциал обычно меньше одного вольта (1 В). Рыбы со слабым электрическим током могут различать объекты с разными значениями сопротивления и емкости , что может помочь в их идентификации. Активная электрорецепция обычно имеет радиус действия примерно в одну длину тела, хотя объекты с электрическим сопротивлением , аналогичным электрическому импедансу окружающей воды, практически невозможно обнаружить. [12] [13] [14]
Активная электролокация опирается на туберозные электрорецепторы, чувствительные к высокочастотным (20–20 000 Гц ) стимулам. Эти рецепторы имеют рыхлую пробку из эпителиальных клеток, которая емкостно связывает клетки сенсорных рецепторов с внешней средой. Рыбы-слоны (Mormyridae) из Африки имеют в коже клубневые электрорецепторы, известные как кнолленорганы и мормиромасты. [16] [17] [18]
Рыба-слон излучает короткие импульсы, чтобы определить местонахождение добычи. Емкостные и резистивные объекты по-разному влияют на электрическое поле, что позволяет рыбе находить объекты разных типов на расстоянии примерно длины тела. Резистивные предметы увеличивают амплитуду импульса; емкостные объекты вносят искажения. [1]
Гимнотиформы , в том числе стеклянная рыба-нож (Sternopygidae) и электрический угорь (Gymnotidae), отличаются от Mormyridae тем , что своим электрическим органом излучают непрерывную волну, приближающуюся к синусоидальной. Как и у Mormyridae, генерируемое электрическое поле позволяет им точно различать емкостные и резистивные объекты. [1]
Рыбы со слабым электрическим током могут общаться, модулируя генерируемые ими электрические волны . Они могут использовать это для привлечения партнеров и демонстрации территории. [21] Электрические сомы часто используют свои электрические разряды, чтобы отогнать другие виды от их укрытий, тогда как со своими собственными видами они проводят ритуальные бои с открытой пастью, а иногда и укусами, но редко используют электрические разряды органов. [22]
Когда две стеклянные рыбы-ножи (Sternopygidae) приближаются друг к другу, обе особи меняют частоту разрядов, реагируя на помехи . [13]
У тупоносых рыб-ножей Brachyhypopomus характер электрического разряда аналогичен низковольтному электролокационному разряду электрического угря Electrophorus . Предполагается, что это бейтсовская имитация сильно защищенного электрического угря. [20] Самцы Brachyhypopomus издают непрерывный электрический «гул», чтобы привлечь самок; это потребляет 11–22% их общего энергобюджета, тогда как женская электросвязь потребляет только 3%. Крупные самцы издавали сигналы большей амплитуды, и самки предпочитают их. Стоимость самцов снижается за счет циркадного ритма : большая активность совпадает с ночными ухаживаниями и нерестом, а в другое время — меньшая. [23]
Рыбы, которые охотятся на рыбу с электролокацией, могут «подслушивать» [24] разряды своей добычи, чтобы обнаружить их. Электрорецепторный африканский острозубый сом ( Clarias gariepinus ) может таким образом охотиться на слабоэлектрическую мормириду Marcusenius macrolepidotus . [25] Это заставило жертву в эволюционной гонке вооружений вырабатывать более сложные или высокочастотные сигналы, которые труднее обнаружить. [26]
Некоторые эмбрионы и детеныши акул «замирают», когда обнаруживают характерный электрический сигнал своих хищников. [10]
У позвоночных пассивная электрорецепция является наследственной чертой , то есть она присутствовала у их последнего общего предка. [27] Наследственный механизм называется ампулярной электрорецепцией, от названия вовлеченных в процесс рецептивных органов — ампул Лоренцини . Они произошли от механических сенсоров боковой линии и существуют у хрящевых рыб ( акул , скатов и химер ), двоякодышащих рыб , бичиров , латимерий , осетровых , веслоносов , водных саламандр и червяг . Ампулы Лоренцини, по-видимому, были утеряны на ранних этапах эволюции костистых рыб и четвероногих , хотя доказательства отсутствия во многих группах неполны и неудовлетворительны. [27] Там, где электрорецепция действительно имеет место в этих группах, она была приобретена вторично в ходе эволюции с использованием органов, отличных от ампул Лоренцини и не гомологичных им. [8] [27]
Электрические органы развивались по крайней мере восемь раз, каждый из которых образует кладу : дважды в ходе эволюции хрящевых рыб, создавая электрические скаты и скаты, и шесть раз в ходе эволюции костных рыб. [28] Пассивно-электролокационные группы, в том числе те, которые двигают головой, чтобы направить свои электрорецепторы, показаны без символов. Неэлектролокационные виды не показаны. [27] Рыбы, активно владеющие электролокацией, отмечаются небольшой желтой вспышкой молнии.и их характерные формы разрядных сигналов. [29] Рыбы, способные поражать электрическим током, отмечены красной вспышкой молнии.. [27]
Акулы и скаты ( Elasmobranchii ) полагаются на электролокацию, используя свои ампулы Лоренцини на заключительных стадиях своих атак, о чем может свидетельствовать устойчивая реакция питания, вызываемая электрическими полями, подобными полям их добычи. Акулы — самые электрически чувствительные из известных животных, реагирующие на поля постоянного тока с напряженностью всего 5 нВ/см. [30] [31] [32] [33]
Две группы костистых рыб слабоэлектричны и активно электрорецептивны: неотропические рыбы-ножи ( Gymnotiformes ) и африканские рыбы-слоны ( Noopteroidei ), что позволяет им ориентироваться и находить пищу в мутной воде. [34] К Gymnotiformes относится электрический угорь , который, помимо использования низковольтной электролокации, способен генерировать электрические разряды высокого напряжения, чтобы оглушить свою добычу. В таком мощном электрогенезе используются большие электрические органы, модифицированные из мышц. Они состоят из стопки электроцитов, каждый из которых способен генерировать небольшое напряжение; напряжения эффективно суммируются ( последовательно ), чтобы обеспечить мощный электрический разряд органа. [35] [36]
Однопроходные , в том числе полуводный утконос и наземные ехидны, — единственная группа млекопитающих, у которых развилась электрорецепция . В то время как электрорецепторы у рыб и амфибий произошли от механосенсорных органов боковой линии, у однопроходных электрорецепторы основаны на кожных железах, иннервируемых тройничным нервом . Электрорецепторы однопроходных состоят из свободных нервных окончаний, расположенных в слизистых железах рыла . Среди однопроходных наиболее острым электрическим чувством обладает утконос ( Ornithorhynchus anatinus ). [37] [38] Утконос локализует свою добычу, используя почти 40 000 электрорецепторов, расположенных полосами спереди назад вдоль клюва. [34] Устройство имеет высокую направленность и наиболее чувствительно по бокам и внизу. Совершая короткие быстрые движения головой, называемые саккадами , утконосы точно определяют местонахождение своей добычи. Утконос, по-видимому, использует электрорецепцию вместе с датчиками давления , чтобы определять расстояние до добычи по задержке между поступлением электрических сигналов и изменениями давления в воде. [38]
Электрорецептивные возможности четырех видов ехидн гораздо проще. У ехидн с длинным клювом (род Zaglossus ) около 2000 рецепторов, а у ехидн с коротким клювом ( Tachyglossus aculeatus ) — около 400, расположенных ближе к концу морды. [34] Эту разницу можно объяснить их средой обитания и методами питания. Западные длинноклювые ехидны питаются дождевыми червями в опавших листьях тропических лесов, достаточно влажных, чтобы хорошо проводить электрические сигналы. Короткоклювая ехидна питается преимущественно термитами и муравьями , обитающими в гнездах в засушливых районах; внутри гнезда, по-видимому, достаточно влажно, чтобы электрорецепция работала. [39] Эксперименты показали, что ехидн можно научить реагировать на слабые электрические поля в воде и влажной почве. Предполагается, что электрическое чувство ехидны является эволюционным остатком от предка, похожего на утконоса. [38]
У дельфинов электрорецепция развилась в структурах, отличных от структур рыб, земноводных и однопроходных . Безволосые вибриссальные крипты на роструме гвианского дельфина ( Sotalia guianensis ), первоначально связанные с усами млекопитающих, способны к электрорецепции всего лишь 4,8 мкВ/см, достаточной для обнаружения мелкой рыбы. Это сравнимо с чувствительностью электрорецепторов утконоса. [40]
До недавнего времени электрорецепция была известна только у позвоночных . Недавние исследования показали, что пчелы могут определять наличие и характер статического заряда на цветах. [41]