Embedded Files
Вивчаючи закони електрики і спостерігаючи за різноманіттям їх застосування в техніці, мимоволі ставиш собі запитання: наскільки широко сама природа використовує ці закони?
Люди давно вже в результаті спостережень фіксували дію електричних сил як у неживій, так і в живій природі, хоч, звичайно, тварини з яскраво вираженими електричними властивостями — не таке звичне явище, як блискавка на небі. Такі тварини завжди вважалися дивними істотами.
На зорі розвитку уявлень про живу електрику поряд з легендами про електричних тварин існували розповіді про незвичайні електричні рослини, що їх спостерігали мандрівники в джунглях Амазонії та Африки. Перші беззаперечні докази існування електричних процесів у рослинних тканинах були отримані в середині ХІХ століття. Так звані струми ушкодження, раніше виявлені у тварин, відкрили і в різноманітних рослинних тканинах.
З моменту відкриття вченими нервого імпульсу в нервовій клітині та принципу роботи нервової системи тварин, в основі якої лежить електрична взаємодія між нервовими клітинами, ні в кого вже немає сумнівів, що електричні явища є фундаментальною основою життя.
Електричний скат
Електрика, що виробляється електричним скатом, здатна запалити не одну лампочку. І якщо до великого електричного ската паралельно підключити декілька десятків електроламп, то вони всі разом спалахнуть і потім будуть поступово згасати.
Електричні скати нерідко мають яскраво забарвлене тіло, а за формою вони нагадують дуже товстий округлий м'ясистий млинець. Ззаду до тіла прикріплений вузький хвіст, який різко відділений від тулуба. Є в електричних скатів і хвостовий плавець. Рило без виступу, має заокруглену форму. Зяброві щілини розташовані на черевній стороні.
Розташування електричних органів в електричного ската
Електричні органи - найцікавіший орган електричних скатів, який розташований по боках тіла між головою і грудними плавниками.
Електричні органи можуть становити приблизно від однієї шостої до однієї четвертої частини ваги всього ската, складаються вони з видозміненої м'язової тканини. При цьому якщо у звичайній м'язовій клітині генерується струм невеликої величини, то в клітинах електричних органів він збільшується в десять разів.
Один електричний розряд триває всього 0,03 секунди, але переважно скати роблять цілу серію їх від 12 до 100 і більше підряд. Упродовж такої серії сила постійно зменшується і врешті-решт генерація струму зникає (інакше “батарея сідає”).
Ряд електричних скатів нараховує 30 видів.
Найбільші види досягають довжини 1,8 м і маси 90 кг.
Усі електричні скати ведуть малорухливий спосіб життя на дні.
Соломахіна Софія, 7-А
Електричний вугор
У 1800 році вчений-натураліст Александер фон Гумбольдт спостерігав, як косяк електричних вугрів вистрибнув із води, щоб захиститися від коней, яких заганяли у водойму. Більшості людей ця історія здалася настільки дивною, що вони вирішили, ніби Гумбольдт усе вигадав. Але риби, що використовують електрику, більш поширені, ніж ви б могли подумати.
Отже, електричні вугри є видом риб.
Під водою, де світла дуже мало, електричні сигнали забезпечують комунікацію та навігацію, а також допомагають знайти, а в окремих випадках і оглушити здобич.
Приблизно у 350 видів риб є спеціалізовані анатомічні структури, які генерують і відчувають електричні сигнали.
Ці риби поділяються на дві групи в залежності від напруги розряду, який вони виробляють.
Учені називають першу групу слабоелектричними рибами.
Структури поруч з їхніми хвостами, названі електричними органами, генерують розряд з напругою до одного вольта, а це менше, ніж у звичайних батарейок.
Як це працює?
Мозок риби посилає сигнал через нервову систему до електричного органа, який складається з сотень або з тисяч зібраних у стовпчики дископодібних клітин, які називаються електричними пластинками, або електроцитами. Це видозмінені м'язові, нервові або залізисті клітини, між мембранами яких може генеруватися різниця потенціалів. Кількість пластинок і стовпчиків в електричних органах різних видів риб неоднакова: у електричного схила близько 600 розташованих у вигляді бджолиних сот стовпчиків по 400 пластинок у кожному, у електричного вугра - 70 горизонтально розміщених стовпчиків по 6000 у кожному, у електричного сома електричні пластинки (близько 2 млн.) розподілені безладно. Пластинки в кожному стовпчику з'єднані послідовно, а електричні стовпчики – паралельно. Електричні органи іннервуються гілками блукаючого, лицьового та язикоглоткового нервів, що підходять до електронегативної сторони електричних пластинок.
Як правило, електроцити відкачують через мембрани іони натрію і калію для підтримання додатного заряду ззовні й від’ємного всередині.
Але, коли через нервову систему до електроцитів приходить сигнал, то він змушує іонні канали в мембранах відкритися.
Додатно заряджені іони течуть назад в середину.
Тепер один бік електроцита заряджається від’ємно ззовні й додатно всередині.
Але інший бік пластинки заряджається протилежно.
Ці змінні заряди будуть джерелом струму, перетворюючи електроцит у своєрідну електричну батарею.
Ключовою особливістю є те, що нервові сигнали узгоджені таким чином, щоб дійти до кожної клітини в один і той же час.
Через це стовпчики електроцитів діють як тисячі батарейок, з’єднаних послідовно.
Маленькі заряди кожної пластинки додаються, щоб створити електричне поле, яке можна відчути на відстані кількох метрів.
Електорецептори, що містяться в шкірі, дозволяють рибині постійно відчувати це поле, а також зміни в ньому, викликані навколишнім середовищем або іншими рибами.
Як і слабоелектричні риби, електричний вугор використовує сигнали для навігації й комунікації.
Але найсильніші електричні розряди він приберігає для полювання, використовуючи атаку, поділену на дві фази — вистежити й паралізувати здобич.
Спочатку вугор створює два або три сильних імпульси, що характеризуються напругою до 600 вольтів.
Ці імпульси викликають спазми м’язів жертви, які у свою чергу генерують хвилі, що видають місце укриття здобичі.
Відразу ж після цього залп швидких високовольтних розрядів викликає ще інтенсивніші м’язові скорочення.
Електричний вугор до того ж може згорнутись так, що електричні поля, які генеруються на кінцях електричного органу, перекриватимуться.
Електричний шторм зрештою виснажує й паралізує здобич, і вугор може живцем проковтнути свій обід.
Види сильноелектричних риб — це електричний сом, який може згенерувати 350 вольтів за допомогою електричного органа, який займає більшу частина його тіла, і електричний скат з нирковидними електричними органами по обидва боки його голови, які виробляють напругу до 220 вольтів.
Гнатонем Петерса, або риба-слон
Гнатонем Петерса, або риба-слон, наприклад, має подовжену, схожу на хобот нижню губу, яка всіяна електрорецепторами.
Це дозволяє їй отримувати сигнали від інших риб, оцінювати відстань до прилеглих об'єктів, а також їхню форму й розміри і навіть визначати, живою чи мертвою є занурена у воду комаха.
Але риба-слон й інші види слабоелектричних риб не виробляють достатньо енергії для того, щоб атакувати жертву.
Однак у світі електричних риб існує одна таємниця.
Чому вони не приголомшують струмом себе?
Можливо, сильноелектричні риби витримують власні розряди завдяки розміру тіла або ж вплив на їхні тіла є короткотривалим.
Деякі вчені вважають, що спеціальні білки можуть ніби екранувати електричні органи.
Але насправді цю таємницю науці поки не вдалося розкрити.
Електрорецепція акули
Шостим почуттям акули називають електрорецепцію – здатність приймати електричні сигнали, які поступають від живих істот. Морські хижаки вистежують жертву навіть у темряві.
Жертва може добре замаскуватись, але приховати імпульси свого тіла їй не під силу. За допомогою електрорецепції акула знаходить камбалу, що причаїлася під шаром піску, уловивши найменше коливання її зябер.
Електрорецепція відноситься до того розряду органів почуттів акул, які знаходяться за межами розуміння людини – можна обчислити принцип їхньої роботи, але неможливо навіть припустити, які відчуття дає хижакам цей набір сенсорів.
Здатність реагувати на слабкі електричні поля акули отримали завдяки особливим органам. Вони розміщені в області рила, нижньої щелепи та навколо очей хижака й розпізнаються як темні отвори на поверхні шкіри. Уперше ці дивні утворення виявив у 1663 році італійський лікар Марчелло Мальпігі, але досконально вони були описані лише через 15 років у працях натураліста Стефано Лоренціні, іменем якого й назвали сенсорні органи акули.
Пізніші дослідження показали, що ампули Лоренціні акули реагують на фантастично слабкі електричні поля – мільярдні частки одного вольта!
Жодна інша жива істота, жоден найсучасніший прилад не можуть засікти таке слабке електричне поле.
За своєю конструкцією ампули Лоренціні схожі із сенсорною системою бічної лінії акул – канали заповнені желеподібною речовиною, у них розміщені клітини з віями.
Але реакція вій на зовнішній подразник, яким для них є електричне поле, цілком несподівана - вони не згинаються, передаючи сигнал по ланцюжку, а змінюють свою електричну полярність.
Зміна позитивного електричного заряду на негативний викликає електроімпульс, про що повідомляється в мозок хижака.
Цікаво, що одні й ті ж клітини з віями використовуються в органах почуттів акул для слуху, для виявлення хвильових коливань у воді та для електрорецепції – еволюція акулячого роду виявила в них консерватизм та винахідливість одночасно.
Дистанція, на якій акули відчувають через ампули Лоренціні електричне поле жертви, точно не відома – вважається, що вона не перевищує пів метра. Наближаючись до об'єкта полювання, акула використовує всі свої органи почуттів, але в момент атаки переходить лише на електрорецепцію.
Чому ж вона так робить?
Тіла живих істот генерують слабке електрополе, яке легко виявляють акули на близькій відстані, наприклад, саме так знаходять здобич, що ховається в донному піску морів, акули молотоголові.
У випадках нападу акул на людину найчастіше відзначається загальна, досить дивна, форма поведінки хижачки: вона атакує тільки одну жертву, не звертаючи жодної уваги на інших людей, навіть якщо ті намагаються перешкодити їй.
Після нанесення акулою першого укусу в морську воду надходить багато крові, яка частково або повністю блокує огляд і нюх хижачки.
Але в цей момент ампули Лоренціні сприймають найбільш стійке й потужне електричне поле, викликане електрохімічною реакцією морської води і крові, що витікає з тіла жертви, - акула безпомилково слідує за цим сигналом.
Електрорецептори використовуються акулами для нанесення точного укусу – це все, що вчені знають про них зараз.
А ось повне дослідження можливостей, які дають акулам ампули Лоренціні, ще належить науковцям майбутнього.
Колесник Микита, 7-А
Електрика від рою бджіл може змінювати погоду
Вимірюючи електричні поля поблизу медоносних бджіл, що рояться, дослідники виявили, що комахи можуть виробляти стільки ж атмосферного електричного заряду, скільки і грозова хмара. Цей тип електрики бере участь у формуванні кліматичних явищ і допомагає комахам у пошуках їжі. Наразі вчені з'ясували, що живі істоти можуть впливати на атмосферну електрику.
Біологи зробили відкриття, вимірявши електричні поля навколо вуликів медоносних бджіл (Apis mellifera). Можливо, цей вплив комах включать у розробку майбутніх кліматичних моделей.
Крихітні тіла комах можуть накопичувати позитивний заряд під час годування, або від тертя молекул повітря об їх крила, що швидко б'ються (медоносні бджоли можуть змахувати крилами більше 230 разів на секунду), або від приземлення на електрично заряджені поверхні. Раніше вчені вважали, що вплив цих крихітних зарядів несуттєвий.
Дослідження показало, що комахи можуть генерувати величезну кількість електрики. Бджоли, наприклад, змінюють атмосферну електрику на 100–1000 вольтів на метр. Так вони збільшують силу електричного поля, що зазвичай виникає на рівні землі. Учені відзначають, що те, як зграї комах впливають на атмосферну електрику, залежить від їхньої щільності та розміру.
Електричні відносини між джмелем і квіткою
Електричне поле квітки є одним з факторів, які впливають на відносини між джмелем і квіткою. Джмелі взаємодіють з електричним полем квітки, що впливає на процес перенесення пилку.
Декілька досліджень показали, що квітка може мати внутрішнє електричне поле, яке змінюється під час її розвитку. Ще деякі зміни відбуваються у квітці для того, щоб привернути увагу джмелів та інших запилювачів. Це електричне поле може бути використане джмелем як додатковий орієнтир для знаходження нектару і пилку.
Джмелі можуть відчувати електричні заряди через волоски на своєму тілі, що допомагає їм орієнтуватися в просторі і знаходити квіти з найбільш поживним нектаром. Але все ж необхідно більше досліджень для повного розуміння цього процесу.
Дослідницька група з Великої Британії опублікувала статтю в журналі “Science” (посилання на статтю: https://www.science.org/doi/10.1126/science.1230883), у якій розкрила суть механізму електромагнітної взаємодії між запилювачем і рослиною.
Учені провели цікавий експеримент, довівши, що джмелі не лише здатні відчувати електромагнітне поле, що генерується рослинами, а й розрізняти його напруженість і запам’ятовувати відповідність між наявністю нектару та напругою поля. Оскільки використання живих рослин супроводжувалось фізіологічними змінами, які відбувались у запилених квітах, зміною їх потенціалу, а також слідами від запилювача, науковці змонтували штучні електричні квіти (е-квіти), на які подавався струм 30 мВ (мілівольт). Половина е-квітів була під напругою й містила краплини цукрози, а інша – ні. натомість містила краплини розчину сульфату хініну. Зовні е-квіти не мали жодних відмінностей.
Ідеалізована модель електромагнітних полів 30-сантиметрової рослини з квіткою. Зліва скалярний електричний потенціал, справа потужність електромагнітних полів. Джерело ілюстрації: Clarke and al., 2013
Відмінність у ґеометрії електромагнітного поля квіток: зліва до, а справа після обробітку аерозолем електростатичної пудри. Джерело ілюстрації: Clarke and al., 2013
У результаті експерименту виявилось, що джмелі дуже швидко зорієнтувались, які е-квіти містять цукрозу, розпізнаючи їх з точністю 81%. Тобто, ці комахи здатні відчувати напруженість електромагнітного поля і на цій основі формувати умовні рефлекси. У наступному експерименті дослідники розрядили всі е-квіти, унаслідок чого відвідування квітів із цукрозою та без неї стало хаотичним. Тобто, джмелі більше не могли розрізняти, де знаходиться джерело їжі, а де ні.
Ще в одному тесті вчені показали, що джмелі здатні не просто сприймати електромагнітне поле, створене рослиною, а й розрізняти його геометрію. Ідея про різні геометрії полів пов’язана з різноманіттям форм квіток та суцвіть рослин. Зокрема, для цього експерименту було сконструйовано два типи е-квітів: одні мали рівномірний позитивний заряд, а інші – негативний всередині, а позитивний довкола. У перші помістили хінін, а в інші – цукрозу. В результаті з точністю 70% джмелі обирали е-квіти, де знаходили їжу.
Однак виникає питання: наскільки електромагнітні поля рослин є інформативними для запилювачів у поєднанні разом з іншими сигналами (колір, запах, форма квітки)? Аби дати відповідь на це питання, учені провели експеримент, який полягав у тому, щоб запропонувати піддослідним комахам е-квіти з невеликою різницею у відтінку (зелений 120° і 140°) і вмістом цукрози або хініну відповідно, а після вироблення умовного рефлексу подати на них електричний струм. У ході експерименту виявилось, що для закріплення рефлексу колір-їжа на рівні 80% правильного вибору потребувалось 35 відвідувань, а після підведення струму – лише 24.
Підсумовуючи, варто зазначити, що дослідження електромагнітних взаємодій у системі рослина-комаха є пілотними. Це сфера, про яку біологічній науці практично нічого невідомо, і відкриття в цій галузі можуть якщо не докорінно, то принаймні суттєво змінити уявлення про функціонування екосистем або ж навіть започаткувати новий напрямок чи розділ екології.
Сідак Ксенія, 7-А
Візуалізації "Електричні відносини між джмелем і квіткою" зроблено в редакторі Blender.
202403102350 (1).mp4Вагін Назарій, 8-А
Візуалізація "Використання павуками статичної електрики"
Процес виконання візуалізації "Використання павуками статичної електрики" в редакторі Blender.
Вагін Назарій, 8-А
Page updated
Google Sites
Report abuse