Làm thế nào cá mập sử dụng luật Ohm và lý thuyết xác suất

Năm 1951, nhà khoa học người Anh Lissman đã nghiên cứu hành vi của cá trong nhà thi đấu. Loài cá này sống trong nước đục đục trong hồ và đầm lầy ở châu Phi và do đó không phải lúc nào cũng có thể sử dụng tầm nhìn để định hướng. Lissman cho rằng những con cá này, giống như dơi, được sử dụng để định hướng định vị bằng tiếng vang.

Khả năng đáng kinh ngạc của dơi bay trong bóng tối hoàn toàn, không va vào chướng ngại vật, đã được phát hiện từ lâu, vào năm 1793, nghĩa là gần như đồng thời với việc phát hiện ra Galvani. Đã làm nó Sparoanzani - Giáo sư tại Đại học Pavia (nơi Volta làm việc). Tuy nhiên, bằng chứng thực nghiệm cho thấy dơi phát ra siêu âm và được hướng dẫn bởi tiếng vang của chúng chỉ thu được vào năm 1938 tại Đại học Harvard ở Hoa Kỳ, khi các nhà vật lý tạo ra thiết bị để ghi lại siêu âm.

Sau khi thử nghiệm giả thuyết siêu âm về định hướng của phòng tập thể dục, Lissman đã bác bỏ nó. Nó chỉ ra rằng thể dục dụng cụ được định hướng bằng cách nào đó khác nhau. Nghiên cứu hành vi của vận động viên thể dục dụng cụ, Lissman phát hiện ra rằng loài cá này có cơ quan điện và bắt đầu tạo ra dòng điện rất yếu trong nước đục. Một dòng điện như vậy không phù hợp cho cả phòng thủ hoặc tấn công. Sau đó, Lissman đề nghị rằng nhà thể dục nên có các cơ quan đặc biệt để nhận thức về điện trường - hệ thống cảm biến.

Đó là một giả thuyết rất táo bạo. Các nhà khoa học biết rằng côn trùng nhìn thấy ánh sáng cực tím và nhiều loài động vật nghe thấy âm thanh không thể nghe thấy đối với chúng ta. Nhưng đây chỉ là một phần mở rộng của phạm vi trong nhận thức về các tín hiệu mà mọi người có thể nhận thấy. Lissman cho phép tồn tại một loại thụ thể hoàn toàn mới.

Tình hình rất phức tạp bởi thực tế là phản ứng của cá đối với dòng nước yếu vào thời điểm đó đã được biết đến. Nó đã được quan sát trở lại vào năm 1917 bởi Parker và Van Heuser trên cá da trơn (tất cả các loài cá da trơn dường như có chất điện giải). Tuy nhiên, các tác giả này đã đưa ra quan sát của họ một lời giải thích hoàn toàn khác. Họ quyết định rằng bằng cách truyền một dòng điện qua nước, sự phân phối ion trong nó thay đổi và điều này ảnh hưởng đến hương vị của nước. Một quan điểm như vậy có vẻ khá hợp lý: tại sao lại đưa ra một số cơ quan mới, nếu kết quả có thể được giải thích bằng các cơ quan thông thường nổi tiếng về vị giác. Đúng, những nhà khoa học này đã không chứng minh được cách giải thích của họ dưới bất kỳ hình thức nào, họ không đặt ra một thí nghiệm kiểm soát. Nếu họ cắt các dây thần kinh đến từ các cơ quan vị giác, để cảm giác vị giác trong cá biến mất, họ sẽ thấy rằng phản ứng với hiện tại vẫn tồn tại. Tự giới hạn mình trong một lời giải thích bằng lời nói về những quan sát của họ, họ đã vượt qua một khám phá tuyệt vời.

Lissman, ngược lại, đã đưa ra một loạt các thí nghiệm và, sau một thập kỷ làm việc, đã chứng minh giả thuyết của mình. Khoảng 25 năm trước, sự tồn tại của electroreceptors đã được khoa học công nhận. Electroreceptors bắt đầu được nghiên cứu, và chẳng mấy chốc chúng đã được tìm thấy ở nhiều loài cá biển và nước ngọt (cá mập, cá đuối gai độc, cá da trơn, v.v.), cũng như cá mút đá. Khoảng 5 năm trước, những thụ thể như vậy đã được phát hiện ở động vật lưỡng cư (kỳ nhông và axolotl), và gần đây - ở động vật có vú (vịt trời).

Các electroreceptors được đặt ở đâu và chúng được sắp xếp như thế nào?

Cá (và động vật lưỡng cư) có cơ chế đường bên nằm dọc theo cơ thể và trên đầu của cá; họ cảm nhận được sự chuyển động của nước so với động vật. Electroreceptors là một loại thụ thể đường bên. Trong quá trình phát triển phôi, tất cả các thụ thể đường bên phát triển từ cùng một khu vực của hệ thần kinh như các thụ thể thính giác và tiền đình. Vì vậy, dơi thính giác và cá điện tử là họ hàng gần.

Ở các loài cá khác nhau, electroreceptor có sự định vị khác nhau - chúng nằm trên đầu, trên vây, dọc theo cơ thể (đôi khi ở một vài hàng), cũng như một cấu trúc khác nhau. Thông thường, các tế bào electroreceptor tạo thành các cơ quan chuyên môn. Chúng tôi xem xét ở đây một trong những cơ quan như vậy được tìm thấy ở cá mập và cá đuối gai độc - ống Lorencini (cơ quan này được mô tả bởi nhà khoa học người Ý Lorencini năm 1678).

Lorencini nghĩ rằng ống là tuyến sản xuất chất nhầy cá (mặc dù chúng không loại trừ các khả năng khác). Ống Lorenzini là một ống dưới da, một đầu của nó mở ra môi trường bên ngoài (đầu vào của nó đôi khi được gọi là lỗ chân lông), và đầu kia có phần mở rộng âm ỉ (ống); lòng của kênh chứa đầy một khối giống như thạch; các tế bào electroreceptor xếp hàng dưới đáy của điểm số của một ống.

Thật thú vị (thực sự là một sự trớ trêu của số phận) mà Parker, người đầu tiên nhận thấy rằng cá phản ứng với dòng điện yếu, cũng đã nghiên cứu các ống của Lorenzini, nhưng quy các chức năng hoàn toàn khác nhau cho chúng. Ông phát hiện ra rằng bằng cách đẩy cây đũa phép vào lối ra bên ngoài của kênh (Thời gian trực tiếp), một phản ứng cá mập (ví dụ, sự thay đổi tần số của nhịp tim) có thể gây ra.

Từ những thí nghiệm như vậy, ông kết luận rằng ống Lorencini là một áp kế để đo độ sâu ngâm của cá, đặc biệt là do cấu trúc của cơ quan tương tự như áp kế. Nhưng lần này, cách giải thích của Parker hóa ra là sai lầm. Nếu bạn đặt một con cá mập trong buồng áp suất và tạo ra áp lực tăng lên trong nó (mô phỏng sự gia tăng độ sâu ngâm), thì ống Lorencini không phản ứng với nó - và điều này có thể được thực hiện mà không cần thử nghiệm: ép nước ở mọi phía và không có tác dụng). Và tại áp suất chỉ trên lỗ rỗng trong thạch lấp đầy nó, một sự khác biệt tiềm năng phát sinh, tương tự như sự khác biệt tiềm năng phát sinh trong một tinh thể áp điện (mặc dù cơ chế vật lý của sự khác biệt tiềm năng trong kênh là khác nhau).

Các ống Lorenzini được sắp xếp như thế nào? Hóa ra tất cả các tế bào của biểu mô lót kênh được kết nối chắc chắn với nhau bằng các "tiếp xúc chặt chẽ" đặc biệt, cung cấp sức đề kháng đặc hiệu cao của biểu mô (khoảng 6 MOhm-cm2). Một kênh được phủ lớp cách nhiệt tốt như vậy kéo dài dưới da và có thể dài vài chục cm. Ngược lại, thạch lấp đầy kênh của ống Lorenzini có điện trở suất rất thấp (theo thứ tự 30 Ohm-cm); điều này được đảm bảo bởi thực tế là bơm ion bơm rất nhiều ion K + vào trong lòng kênh (nồng độ K + trong kênh cao hơn nhiều so với trong nước biển hoặc trong máu của cá). Do đó, kênh của một cơ quan điện là một phần của một dây cáp tốt với điện trở cách điện cao và lõi dẫn điện tốt.

"Đáy" của ống được đặt trong một lớp bởi vài chục ngàn tế bào electroreceptor, cũng được dán chặt với nhau. Nó chỉ ra rằng tế bào thụ thể ở một đầu nhìn vào bên trong kênh và ở đầu kia tạo thành một khớp thần kinh, nơi nó kích thích một chất trung gian thú vị hoạt động trên một đầu sợi thần kinh thích hợp. Mỗi ống thích hợp cho 10 đến 20 sợi hướng tâm và mỗi sợi cung cấp cho nhiều thiết bị đầu cuối đi đến các thụ thể, do đó, kết quả là khoảng 2.000 tế bào thụ thể hoạt động trên mỗi sợi (chú ý đến điều này - điều này rất quan trọng!).

Bây giờ chúng ta hãy xem những gì xảy ra với các tế bào electroreceptor dưới ảnh hưởng của điện trường.

Nếu bất kỳ tế bào nào được đặt trong một điện trường, thì trong một phần của màng, dấu PP trùng với dấu hiệu của cường độ trường, và ở phần còn lại thì ngược lại. Điều này có nghĩa là trên một nửa của tế bào, MP tăng (màng được siêu phân cực) và mặt khác, nó giảm (màng khử cực).

Hoạt động của điện trường trên tế bào

Nó chỉ ra rằng mọi tế bào "cảm thấy" điện trường, đó là, nó là một electroreceptor. Và rõ ràng: trong trường hợp này, vấn đề chuyển đổi tín hiệu bên ngoài thành tín hiệu tự nhiên cho tế bào - tín hiệu điện - biến mất.Do đó, các tế bào electroreceptor hoạt động rất đơn giản: với dấu hiệu thích hợp của trường bên ngoài, màng synap của các tế bào này bị khử cực và sự thay đổi trong tiềm năng này kiểm soát sự giải phóng của chất trung gian.

Nhưng sau đó, câu hỏi được đặt ra: các tính năng của các tế bào thụ thể điện là gì? Bất kỳ tế bào thần kinh có thể thực hiện chức năng của họ? Sự sắp xếp đặc biệt của ống Lorenzini là gì?

Vâng, về mặt định tính, bất kỳ tế bào thần kinh nào cũng có thể được coi là chất điện tử, nhưng nếu chúng ta chuyển sang ước tính định lượng, tình hình sẽ thay đổi. Điện trường tự nhiên rất yếu, và tất cả các thủ thuật mà tự nhiên sử dụng trong các cơ quan điện nhạy đều nhắm đến, trước tiên, để nắm bắt sự khác biệt tiềm năng lớn nhất trên màng synap, và thứ hai, để đảm bảo độ nhạy cao của cơ chế giải phóng hòa giải thay đổi MP.

Các cơ quan điện của cá mập và cá đuối gai độc có độ nhạy cao (chúng ta có thể nói, cực kỳ cao!) Độ nhạy: cá phản ứng với điện trường với cường độ 0,1 μV / cm! Vì vậy, vấn đề nhạy cảm được giải quyết một cách rực rỡ trong tự nhiên. Làm thế nào là kết quả đạt được?

Đầu tiên, thiết bị của ống Lorenzini góp phần vào độ nhạy này. Nếu cường độ trường là 0,1 VV / cm và chiều dài kênh của ống là 10 cm, thì sự khác biệt tiềm năng là 1 VV sẽ là cần thiết cho toàn bộ ống. Hầu như tất cả điện áp này sẽ rơi vào lớp thụ thể, vì điện trở của nó cao hơn nhiều so với điện trở của môi trường trong kênh.

Cá mập đang trực tiếp sử dụng Luật pháp: V = IR, vì dòng điện chạy trong mạch là như nhau, điện áp rơi càng lớn nơi điện trở càng cao. Do đó, kênh ampoule càng dài và điện trở của nó càng thấp thì sự khác biệt tiềm năng được cung cấp cho electroreceptor càng lớn.

Thứ hai, luật Ohm, là ứng dụng của cộng đồng điện tử. Các phần khác nhau của màng của chúng cũng có điện trở khác nhau: màng synap, nơi trung gian nổi bật, có điện trở cao và phần đối diện của màng là nhỏ, do đó, sự khác biệt tiềm năng được phân phối có lợi hơn.

Đối với độ nhạy của màng synap đối với dịch chuyển MP, có thể được giải thích bằng nhiều lý do: các kênh của màng này hoặc cơ chế phóng trung gian có thể có độ nhạy cao đối với dịch chuyển tiềm năng.

Một phiên bản rất thú vị về lời giải thích về độ nhạy cao của việc phát hành hòa giải đối với dịch chuyển MP đã được đề xuất bởi A. L. Call. Ý tưởng của ông là tại các khớp thần kinh như vậy, dòng điện được tạo ra bởi màng sau synap chảy vào các tế bào thụ thể và thúc đẩy sự giải phóng của chất trung gian; kết quả là, một phản hồi tích cực phát sinh: việc giải phóng hòa giải gây ra PSP, trong khi dòng điện chạy qua khớp thần kinh, và điều này giúp tăng cường giải phóng hòa giải.

Về nguyên tắc, một cơ chế như vậy nhất thiết phải hoạt động. Nhưng trong trường hợp này, câu hỏi mang tính định lượng: cơ chế như vậy có hiệu quả như thế nào để đóng vai trò chức năng nào đó? Gần đây, A. L. Vyzov và các cộng tác viên của mình đã có thể có được dữ liệu thực nghiệm thuyết phục xác nhận rằng một cơ chế như vậy thực sự hoạt động trong các tế bào cảm quang.