כיצד כרישים משתמשים בחוק ותורת ההסתברות של אוהם

בשנת 1951 למד המדען האנגלי ליסמן את התנהגותם של דגי הגימנסיה. דג זה חי במים אטומים אטומים באגמים ובביצות אפריקה ולכן הוא לא תמיד יכול להשתמש בראייה להתמצאות. ליסמן הציע שהדגים האלה, כמו עטלפים, משמשים להתמצאות שינוי הד.

היכולת המדהימה של עטלפים לטוס בחושך מוחלט, מבלי להיתקל במכשולים, התגלתה לפני זמן רב, בשנת 1793, כלומר כמעט במקביל לגילוי גלווני. עשה זאת Lazaro Spallanzani - פרופסור באוניברסיטת פאביה (זה בו עבד וולטה). עם זאת, עדויות ניסיוניות לכך שעטלפים פולטים אולטרה-סאונד ומונחות על ידי הדיהם התקבלו רק בשנת 1938 באוניברסיטת הרווארד בארצות הברית, אז פיסיקאים יצרו ציוד להקלטת אולטרה-סאונד.

לאחר שבדק את ההשערה הקולית לגבי כיוון המתעמל בניסוי, דחה אותו ליסמן. התברר כי התעמלות מכוונת איכשהו אחרת. ליסמן בחן את התנהגותו של המתעמל, וגילה שלדג זה יש איבר חשמלי ומתחיל לייצר פריקות זרם חלשות מאוד במים אטומים. זרם כזה אינו מתאים להגנה או להתקפה. אז הציע ליסמן כי לחדר הכושר צריך להיות איברים מיוחדים לתפיסת שדות חשמליים - מערכת חיישנים.

זו הייתה השערה נועזת מאוד. מדענים ידעו שחרקים רואים אור אולטרה סגול, ובעלי חיים רבים שומעים עבורנו צלילים בלתי נשמעים. אך זו הייתה רק הרחבה קלה של הטווח בתפיסת האותות שאנשים יכולים לתפוס. ליסמן התיר לסוג חדש של קולטן להתקיים.

המצב היה מורכב מהעובדה שתגובת הדגים לזרמים חלשים באותה תקופה כבר הייתה ידועה. זה נצפה כבר בשנת 1917 על ידי פארקר ואן הוזר על שפמנון (לכל שפמנון נראה שיש קולטנים אלקטרוניים). עם זאת, מחברים אלה העניקו לתצפיותיהם הסבר אחר לגמרי. הם החליטו שעל ידי העברת זרם במים, חלוקת היונים בהם משתנה וזה משפיע על טעם המים. נקודת מבט כזו נראתה די מתקבלת על הדעת: מדוע לבוא עם כמה איברים חדשים, אם ניתן להסביר את התוצאות באמצעות אברי טעם רגילים ידועים. נכון, מדענים אלה לא הוכיחו את פרשנותם בשום דרך, הם לא קבעו ניסוי בקרה. אם היו חותכים את העצבים המגיעים מאיברי הטעם, כך שתחושות הטעם בדגים ייעלמו, הם יגלו כי התגובה לזרם נמשכת. לאחר שהגבילו את עצמם להסבר מילולי של תצפיותיהם, הם העבירו תגלית נהדרת.

ליסמן, להיפך, העלה מגוון ניסויים, ואחרי עשור של עבודה הוכיח את השערתו. לפני כ- 25 שנה הוכר המדע על קיומם של קולטנים אלקטרוניים. קולטני חשמל החלו ללמוד, ועד מהרה הם נמצאו בדגי ים ימיים ומתוקים רבים (כרישים, קוצים, שפמנון וכו '), כמו גם במנורות. לפני כחמש שנים התגלו קולטנים כאלה אצל דו חיים (סלמנדרה ואקסולוטל) ולאחרונה - ביונקים (ברווזון).

היכן ממוקמים הקולטנים האלקטרוניים ואיך הם מסודרים?

לדגים (ודו-חיים) יש קולטנים מכניים לרוחב הממוקמים לאורך הגוף ובראש הדג; הם תופסים את תנועת המים ביחס לבעל החיים. קולטנים אלקטרוניים הם סוג אחר של קולטן קו לרוחב. במהלך התפתחות עוברית, כל קולטני הקווים לרוחב מתפתחים מאותו אזור במערכת העצבים כמו הקולטנים השמיעתיים והסטיבולריים. אז העטלפים השמיעיים וקולטני האלקטרקטוריות של הדגים הם קרובי משפחה קרובים.

בדגים שונים, לקולטנים אלקטרוניים לוקליזציה שונה - הם ממוקמים על הראש, על הסנפירים, לאורך הגוף (לפעמים בכמה שורות), כמו גם מבנה שונה. לעיתים קרובות, תאים אלקטרקטרפטוריים יוצרים איברים מיוחדים. אנו רואים כאן אחד מאברים כאלה שנמצאים בכרישים ובעקיצות ציר - אמפולה לורנסיני (איבר זה תואר על ידי המדען האיטלקי לורצ'יני בשנת 1678).

לורוצ'יני חשב כי אמפולות הן בלוטות המייצרות ריר דגים (אם כי לא שללו אפשרויות אחרות). אמפולה של לורנציני היא תעלה תת עורית, שקצה אחד פתוח לסביבה החיצונית (הכניסה שלה נקראת לפעמים), והשני מסתיים בהארכה עמומה (אמפולה); לומן התעלה מלא במסה דמויית ג'לי; תאים אלקטרקטרפטוריים קו "התחתון" של האמפולה בשורה אחת.

מעניין (אכן, אירוניה מגורל) שפרקר, שהבחין לראשונה כי דגים מגיבים לזרמים חשמליים חלשים, בחן גם את האמפולות של לורנציני, אך ייחס להם פונקציות שונות לחלוטין. הוא גילה שעל ידי דחיפת השרביט בכניסה החיצונית של התעלה ("זמן"), עלולה להיגרם תגובה של כריש (למשל, שינוי בתדירות פעימות הלב).

מניסויים כאלה הוא הגיע למסקנה כי אמפולה של לורנציני היא מד מנוטר למדידת עומק הטבילה של הדגים, מה גם שמבנה האיבר דומה למונומטר. אך הפעם, פרשנותו של פארקר התגלתה כשגויה. אם אתה מציב כריש בתא לחץ ויוצר בו לחץ מוגבר (המדמה עלייה בעומק הטבילה), אז אמפולה של לורנסיני לא מגיבה אליו - ואת זה ניתן לעשות זאת מבלי להתנסות: מים לוחצים על כל הצדדים ואין השפעה). ובלחץ רק על הנקבוביות בג'לי שממלא אותו, מתעורר הבדל פוטנציאלי, בדומה לאופן בו נוצר הבדל פוטנציאלי בגביש פיוזואלקטרי (אם כי המנגנון הפיזי של ההבדל הפוטנציאלי בתעלה שונה).

כיצד מסודרים אמפולות של לורנציני? התברר כי כל תאי האפיתל המצפים את התעלה מחוברים זה לזה על ידי "קשרים הדוקים" מיוחדים, המספקים התנגדות ספציפית גבוהה של האפיתל (כ- 6 MOhm-cm2). תעלה המצופה בבידוד כה טוב משתרעת מתחת לעור ויכולה להיות באורך של כמה עשרות סנטימטרים. נהפוך הוא, לג'לי שממלא את תעלת אמפולה של לורנציני יש התנגדות נמוכה מאוד (בסדר גודל של 30 אוהם ס"מ); הדבר מובטח על ידי העובדה שמשאבות יונים שואבות הרבה יוני K + לומן התעלה (ריכוז K + בתעלה גבוה בהרבה מאשר במי ים או בדם של דגים). לפיכך, תעלת איבר חשמלי היא חתיכת כבל טוב עם עמידות בידוד גבוהה וליבה מוליכה היטב.

"החלק התחתון" של האמפולה מונח בשכבה אחת על ידי כמה עשרות אלפי תאים אלקטרואפטוריים, שגם הם מודבקים זה בזה היטב. מסתבר שתא הקולטן בקצהו נראה בתוך התעלה, ובקצה השני נוצר סינפסה, שם הוא מרגש מתווך מרגש הפועל בקצה מתאים של סיב העצבים. כל אמפולה מתאימה בין 10 ל 20 סיבים אפפרנטיים וכל אחד מהם נותן מסופים רבים שהולכים לקולטנים, כך שכתוצאה מכך כ -2,000 תאי קולטן פועלים על כל סיב (שימו לב לכך - זה חשוב!).

הבה נראה כעת מה קורה לתאי האלקטרוזורפטורים עצמם תחת השפעת שדה חשמלי.

אם תא כלשהו ממוקם בשדה חשמלי, אז בחלק אחד של הממברנה סימן ה- PP עולה בקנה אחד עם הסימן של עוצמת השדה, ובאחרת מתברר שהוא הפוך. משמעות הדבר היא שבמחצית האחת של התא, MP מגדיל (הממברנה היפר-קוטבית), ומצד שני, היא פוחתת (הממברנה מתפחתת).

פעולת השדה החשמלי בתא

מסתבר שכל תא "מרגיש" שדות חשמליים, כלומר הוא קולט אלקטרונים. וברור: במקרה זה הבעיה של המרת אות חיצוני לטבעי לתא - החשמלי - נעלמת.לפיכך, תאי אלקטר-קולטנים פועלים בפשטות רבה: עם הסימן המתאים לשדה החיצוני, הממברנה הסינפטית של תאים אלה מפולחת ושינוי פוטנציאלי זה שולט על שחרורו של המתווך.

אבל אז נשאלת השאלה: מהם התכונות של תאי אלקטרו-קולטנים? האם נוירון כלשהו יכול לבצע את תפקידיו? מה הסידור המיוחד של אמפולות לורנציני?

כן, מבחינה איכותית, כל נוירון יכול להיחשב כמקבל אלקטרונים, אך אם נפנה לאומדנים כמותיים, המצב משתנה. שדות חשמליים טבעיים הם חלשים מאוד, וכל הטריקים בהם הטבע משתמש באיברים רגישים אלקטרוניים נועדו, ראשית, לתפוס את ההבדל הפוטנציאלי הגדול ביותר בממברנה הסינפטית, ושנית, להבטיח רגישות גבוהה של מנגנון שחרור המתווך לשינוי חבר פרלמנט.

האיברים החשמליים של הכרישים והעקיצות בעלי רגישות גבוהה במיוחד (ניתן לומר, גבוה להפליא!) רגישות: הדגים מגיבים לשדות חשמליים בעוצמה של 0.1 מיקרו וולט / ס"מ! אז בעיית הרגישות נפתרת בצורה מבריקה באופיה. כיצד מושגות תוצאות כאלה?

ראשית, המכשיר של האמפולה של לורנציני תורם לרגישות זו. אם חוזק השדה הוא 0.1 מיקרו-ווטר / ס"מ ואורך התעלה של האמפולה 10 ס"מ, אז יהיה צורך בהבדל פוטנציאלי של 1 מיקרו-וולט לכל האמפולה. כמעט כל מתח זה ייפול על שכבת הקולטן, מכיוון שהתנגדותו גבוהה בהרבה מהתנגדות המדיום בתעלה.

הכריש משתמש ישירות החוק של אוהם: V = IR, מכיוון שהזרם הזורם במעגל זהה, ירידת המתח גדולה יותר כאשר ההתנגדות גבוהה יותר. לפיכך, ככל שתעלת האמפולה ארוכה יותר והתנגדותה נמוכה יותר, כך גדל ההבדל הפוטנציאלי לקולטור האלקטרוני.

שנית, החוק של אוהם "מיושם" על ידי קולטני החשמל עצמם. לחלקים שונים של הממברנה שלהם יש גם התנגדות שונה: לקרום הסינפטי, בו המתווך בולט, יש עמידות גבוהה, והחלק הנגדי של הממברנה הוא קטן, כך שכאן ההבדל הפוטנציאלי מופץ ברווחיות רבה יותר.

באשר לרגישות של הממברנה הסינפטית לתזוזות MP, ניתן להסביר זאת מסיבות שונות: לערוצי הממברנה הזו או למנגנון פליטת המתווך עצמו עשויים להיות רגישות גבוהה לשינויים פוטנציאליים.

גרסה מעניינת מאוד של ההסבר לרגישות הגבוהה לשחרור המתווך למשמרות חברי פרלמנט הוצעה על ידי א 'ל. קאל. הרעיון שלו הוא שבסינפסות כאלה הזרם שנוצר על ידי הממברנה הפוסט-סינפטית זורם לתאי הקולט ומקדם את שחרורו של המתווך; כתוצאה מכך מתעורר משוב חיובי: שחרור המתווך גורם ל- PSP, בעוד הזרם זורם דרך הסינפסה, וזה משפר את שחרורו של המתווך.

באופן עקרוני, מנגנון כזה חייב בהכרח לפעול. אבל במקרה זה, השאלה היא כמותית: עד כמה יעיל מנגנון כזה למלא תפקיד פונקציונאלי כלשהו? לאחרונה, A. L. Vyzov וחבריו לעבודה הצליחו להשיג נתונים ניסיוניים משכנעים המאשרים שמנגנון כזה באמת עובד בקולטני פנים.