Невидима и оглушителна електрическа змиорка

Удивителната електрическа змиорка

Доминик Стейтъм Превод от Андрей Ткаченко, Алексей Калко (creationist.in.ua) Превод с разрешение от creation.com

Присъединете се към нас във Facebook!

Електрическата змиорка (Electrophorus electricus) дебне в мътните блата и реките на Северна Южна Америка. Благодарение на изключително усъвършенствана електролокационна система, този скрит хищник има способността да се ориентира и ловува при условия на лоша видимост. Използвайки „електрорецептори“ за откриване на изкривявания в електрическото поле, създадено в собственото му тяло, той е в състояние да открива храна, без да бъде забелязан. След това обездвижва плячката си с мощен електрически удар, достатъчно силен, за да зашемети голям бозайник като кон или дори да убие човек. 1 Има дълго цилиндрично тяло, което много наподобява това, което обикновено разбираме под змиорки (разред Anguilliformes); въпреки това принадлежи към различен разред риби (Gymnotiformes). Рибите, които могат да откриват електрически полета, се наричат електрорецептивни (електрорецептивни), а тези, които могат да генерират силни електрически полета, като тези змиорки, се наричат електрогенни.

Как електрическа змиорка създава толкова високо напрежение?

Електрическите риби не са сами в създаването на електричество. Всъщност всички живи организми до известна степен са способни на това. Мускулите в собствените ни тела, например, се контролират от мозъка с електрически сигнали. Електроните, произведени от бактерии, могат да се използват за генериране на електричество в батериите. 2 Електрическите змиорки произвеждат електричество по същия начин, както го правят мускулите, като използват енергия от храната, за да съхраняват зарядклетки, наречени електроцити (вижте страничната лента по-долу). Въпреки че всяка клетка носи само малък заряд, чрез подреждане на хиляди такива заряди в серия, като батерии във фенерче, могат да се генерират до 650 волта (V). Свързването на много от тези струни паралелно произвежда ток от приблизително 1 ампер (A), което осигурява мощност на разреждане от приблизително 650 W (1 W = 1 V × 1 A). 3

Как електрическите змиорки избягват токов удар?

Учените не са напълно сигурни в отговора на този въпрос, но има някои интересни наблюдения, които могат да хвърлят светлина върху тази мистерия. Първо, жизнените органи на електрическата змиорка (като мозъка и сърцето) са разположени близо до главата, далеч от органите, които произвеждат електричество, и са заобиколени от мастна тъкан, която може да действа като изолатор. Предполага се, че кожата също има изолационни свойства, тъй като е наблюдавано, че змиорките с увредена кожа са по-уязвими към собствените си електрически удари.

Второ, електрическите змиорки произвеждат едни от най-мощните електрически удари по време на чифтосване, но не вредят на партньора. Въпреки това, ако тези скокове на напрежението не се произведат по време на чифтосване, те могат да убият друга змиорка. 4 Това предполага, че те имат система за защита, която може да се включва и изключва.

Може ли електрическата змиорка да е еволюирала?

Трудно е да си представим как всичко това може да се случи с малките стъпки, които дарвиновият процес изисква. Ако произведеният ток не беше значителен в началото, вместо да зашемети плячката, той просто щеше да ги предупреди за опасност. Освен това, за да развият способността за зашеметяване, електрическите змиорки трябваше едновременно да развият собствена системазащита. Всеки път, когато възникваше мутация, която увеличаваше напрежението на разряда, беше необходима друга мутация, която да подобри електрическата изолация на змиорката. И изглежда малко вероятно само една мутация да е достатъчна. Например, преместването на органи по-близо до главата вероятно ще изисква редица различни мутации, за да се появят заедно.

CC-BY-SA Стивън Уолинг чрез Wikipedia

Докато само няколко вида риби са способни да зашеметят плячката си, има много видове, които използват електрически полета с ниско напрежение за навигация и комуникация. Електрическите змиорки принадлежат към разред южноамерикански риби, които също се наричат "риби-ножове" (разред Gymnotiformes), всички от които имат способността за електрорецепция. 5 Африкански "слонски нос" или Mormyridae (семейство Mormyridae) също са способни на електрорецепция и се предполага, че са развили тази способност успоредно с техните роднини от Южна Америка. Всъщност еволюционистите трябва да твърдят, че електрическите органи в рибите са еволюирали осем пъти независимо. 6 Като се има предвид тяхната сложност, изглежда удивително, меко казано, че тези системи могат да се развият дори веднъж, камо ли осем пъти.

Както южноамериканската риба нож, така и африканската риба слон използват своите електрически органи за навигация и комуникация. И двете използват няколко различни типа електрорецептори. И в двете групи има видове, които произвеждат електрически полета с редица различни сложни вълнови форми. 7 Два вида ножари, Brachyhypopomus bennetti и Brachyhypopomus walteri, са толкова сходни, че човек би си помислил, че са един и същ вид, с изключение на това, че първите генерират постоянен ток, а вторите - променлив ток. 8, 9 Но еволюционната история става още повеченевероятно, когато копаем по-дълбоко. За да избегнат смущенията на техните електролокационни устройства едно с друго и взаимни смущения, някои видове използват система, при която всяка риба променя честотата на своя електрически сигнал. Важно е да се отбележи, че този метод работи почти идентично (като говорим за изчислителния алгоритъм) за производителя на стъклени ножове от Южна Америка (Eigenmannia) и за африканския химнарх (Gymnarchus). 10 Възможно ли е една и съща система за избягване на смущения да се е развила независимо в две различни групи, живеещи на различни континенти?

Шедьовър на дизайна

Системата за електрическо разреждане на змиорки превъзхожда всичко, създадено от човека, като е компактна, гъвкава, преносима, екологична и самовъзстановяваща се. Всичките му части са перфектно съчетани в гладко тяло, което позволява на змиорката да плува с голяма скорост и маневреност. От малки клетки, които генерират електричество, до сложен софтуер, който анализира изкривяванията в електрическите полета, генерирани от змиорката, всичко това е свидетелство за един невероятен Създател.

Как електрическите змиорки произвеждат електричество? (техническа част)

Анатомия на електрическа змиорка По-голямата част от тялото на електрическата змиорка се състои от електрически органи. Основният орган и органът на Хънтър са отговорни за създаването и натрупването на силен електрически заряд. Органът на Сакс произвежда електрическо поле с ниско напрежение, което се използва за електролокация.

Електрическите риби произвеждат електричество по същия начин, по който правят нервите и мускулите в собствените ни тела. Специални ензимни протеини вътре в клетъчната мембрана на електроцитните клетки, наречени Na-K АТФази, изпомпват натриеви йони извън клетката и изпомпват йони вътрекалий ("Na" е химическият символ за натрий и "K" за калий, "ATP" означава аденозин трифосфат, енергийната молекула, използвана за работата на помпата). Разликата в концентрацията на калиеви йони вътре и отвън води до образуването на химичен градиент, който се стреми да върне калиевите йони обратно от клетката. По подобен начин разликите в концентрациите на натриеви йони водят до химичен градиент, който се стреми да транспортира натриевите йони обратно в клетката. Други протеини, вградени в мембраните, действат като канали за калиеви йони, пори, които позволяват на калиевите йони да напуснат клетката. Тъй като положително заредените йони се натрупват извън клетката, се развива електрически градиент от двете страни на клетъчната мембрана, тъй като има повече положителен заряд извън клетката, отколкото вътре. Na-K ATPase помпите са проектирани по такъв начин, че само положителни йони преминават, в противен случай отрицателните йони също биха изтекли и неутрализират заряда.

Химическият градиент се стреми да изведе калиевите йони извън клетката, докато електрическият градиент, напротив, има тенденция да ги привлече обратно. В точката на равновесие, когато химическите и електрическите сили се балансират взаимно, зарядът от външната страна на клетката ще бъде около 70 миливолта по-положителен, отколкото отвътре. Следователно, относително казано, вътрешността на клетката е 70 миливолта отрицателно заредена.

Натриево-калиева ATP-азна (аденозин трифосфатазна) помпа. Всеки цикъл два калиеви йона (K + ) влизат в клетката и три натриеви йона (Na + ) излизат навън. Процесът се захранва от енергия, получена от молекулата на АТФ.

Повече протеини, вградени в клетъчната мембрана, осигуряват канали за натриеви йони, пори, които позволяват на натриевите йони да влязат отново в клетката. Те обикновено са затворени, нокогато електрическите органи се активират, те се отварят и положително заредените натриеви йони навлизат отново в клетката, водени от химичен градиент. В този случай равновесието се достига в точката, където вътрешността на клетката е положително заредена с приблизително 60 миливолта. Общата промяна на напрежението е от -70 до +60 миливолта, което е 130 mV или 0,13 V. Това разреждане се случва много бързо, за около 1 милисекунда. Тъй като около 5000 електроцита са свързани последователно, може да се генерира напрежение от около 5000 × 0,13 V = 650 V чрез едновременно разреждане на всички клетки.

Атом или молекула, която носи електрически заряд, защото има различен брой електрони и протони. Зарядът е отрицателен, ако има повече електрони отколкото протони, и положителен в противен случай. Калиеви (K + ) и натриеви (Na + ) йони имат положителен заряд.

Промяна в някакво количество при преместване от една точка в друга. Например, когато се отдалечите от открит пламък, температурата пада. По този начин пожарът създава температурен градиент, който намалява с разстоянието.

електрически градиент

Градиентът на промяна в големината на електрическия заряд. Например, ако извън клетката има повече положително заредени йони, отколкото вътре, възниква електрически градиент през клетъчната мембрана. Тъй като еднаквите заряди се отблъскват взаимно, ще има тенденция йоните да се движат по такъв начин, че да изравнят заряда отвътре и отвън. Движението на йони в посока на електрическия градиент става пасивно, под въздействието на електрическа потенциална енергия, а не активно, захранвайки се с енергия, получена от външен източник, като молекула на АТФ.

химичен градиент

Градиентът на промяна в химическата концентрация. Например, ако концентрацията на натриеви йони извън клетката е по-висока, отколкото вътре, има химичен градиент на натриеви йони през клетъчната мембрана. Поради произволните движения на йоните и постоянните сблъсъци между тях, ще има тенденция натриевите йони да се движат от висока концентрация към ниска концентрация, докато се достигне равновесие, тоест докато концентрацията на натриеви йони стане еднаква от двете страни на мембраната. 12 Отново, това се случва пасивно, чрез дифузия. Движението се дължи на кинетичната енергия на йоните, а не на енергията, получена от външен източник като молекула на АТФ.