كيف يستخدم أسماك القرش قانون أوم ونظرية الاحتمالات

في عام 1951 ، درس العالم الإنجليزي ليسمان سلوك أسماك لاعبة الجمباز. هذه السمكة تعيش في مياه معتمة مبهمة في البحيرات والمستنقعات في أفريقيا ، وبالتالي لا يمكن دائما استخدام مشهد للتوجه. اقترح Lissman أن هذه الأسماك ، مثل الخفافيش ، تستخدم للتوجيه تحديد الموقع بالصدى.

تم اكتشاف قدرة الخفافيش المدهشة على الطيران في ظلام كامل ، دون تصطدم بالعقبات ، منذ وقت طويل ، في عام 1793 ، أي في وقت واحد تقريبًا مع اكتشاف جالفاني. هل فعلت لازارو سبالانزاني - أستاذ بجامعة بافيا (الجامعة التي عمل فيها فولتا). ومع ذلك ، تم الحصول على أدلة تجريبية على أن الخفافيش تنبعث من الموجات فوق الصوتية وتسترشد بأصدائها ، تم الحصول عليها فقط في عام 1938 في جامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية ، عندما أنشأ الفيزيائيون معدات لتسجيل الموجات فوق الصوتية.

بعد اختبار الفرضية بالموجات فوق الصوتية للتوجه نحو الصالة الرياضية تجريبياً ، رفضها Lissman. اتضح أن الجمباز موجه بطريقة مختلفة بطريقة ما. عند دراسة سلوك لاعبة الجمباز ، اكتشف ليسمان أن هذه السمكة لديها جهاز كهربائي وتبدأ في توليد تصريفات ضعيفة للغاية في المياه غير الشفافة. مثل هذا التيار غير مناسب للدفاع أو الهجوم. ثم اقترح ليسمان أن يكون للألعاب الرياضية أعضاء خاصة لتصور الحقول الكهربائية - نظام الاستشعار.

لقد كانت فرضية جريئة للغاية. لقد عرف العلماء أن الحشرات ترى الضوء فوق البنفسجي ، وأن العديد من الحيوانات تسمع أصواتاً غير مسموعة بالنسبة لنا. ولكن هذا لم يكن سوى امتداد بسيط للنطاق في تصور الإشارات التي يمكن للناس إدراكها. سمح Lissman بوجود نوع جديد تمامًا من المستقبلات.

كان الوضع معقدًا بسبب حقيقة أن رد فعل الأسماك على التيارات الضعيفة في ذلك الوقت كان معروفًا بالفعل. لوحظ مرة أخرى في عام 1917 من قبل باركر وفان Heuser على سمك السلور (جميع سمك السلور ويبدو أن لديها مستقبلات الكهربائية). ومع ذلك ، أعطى هؤلاء المؤلفين ملاحظاتهم تفسيرا مختلفا تماما. لقد قرروا أنه عن طريق تمرير تيار عبر الماء ، يتغير توزيع الأيون فيه ، وهذا يؤثر على طعم الماء. تبدو وجهة النظر هذه معقولة: لماذا نتوصل إلى بعض الأعضاء الجديدة ، إذا كان من الممكن شرح النتائج عن طريق أجهزة الذوق العادية المعروفة. صحيح أن هؤلاء العلماء لم يثبتوا تفسيرهم بأي شكل من الأشكال ؛ لم يجروا تجربة مراقبة. إذا قطعوا الأعصاب القادمة من أعضاء الذوق ، بحيث تختفي أحاسيس الذوق في الأسماك ، فسيجدون أن رد الفعل على التيار مستمر. بعد أن اقتصروا على شرح شفهي لملاحظاتهم ، مروا باكتشاف عظيم.

على العكس من ذلك ، توصل ليسمان إلى مجموعة متنوعة من التجارب ، وبعد عقد من العمل ، أثبت فرضيته. منذ حوالي 25 عامًا ، تم الاعتراف بوجود مستقبلات الكترونية من قبل العلم. بدأت دراسة المستقبِلات الكهربائية ، وسرعان ما تم العثور عليها في العديد من أسماك المياه البحرية والعذبة (أسماك القرش ، وسمك الراي اللساع ، وسمك السلور ، إلخ) ، وكذلك المصباح. منذ حوالي 5 سنوات ، تم اكتشاف هذه المستقبلات في البرمائيات (السمندل والأكسولوتل) ، ومؤخرا - في الثدييات (منقار البط).

أين تقع أجهزة الاستقبال الكهربائية وكيف يتم ترتيبها؟

تحتوي الأسماك (والبرمائيات) على مستقبلات ميكانيكية للخط الجانبي تقع على طول الجسم وعلى رأس الأسماك ؛ انهم يرون حركة المياه بالنسبة للحيوان. المستقبلات الكهربائية هي نوع آخر من مستقبلات الخطوط الجانبية. أثناء التطور الجنيني ، تتطور جميع مستقبلات الخط الجانبي من نفس منطقة الجهاز العصبي مثل المستقبلات السمعية والدهليزي. لذلك فإن الخفافيش السمعية والمستقبلات السمكية أقرباء.

في الأسماك المختلفة ، يكون لمستقبلات الإلكترونات موضع مختلف - فهي تقع على الرأس ، وعلى الزعانف ، على طول الجسم (أحيانًا في عدة صفوف) ، بالإضافة إلى بنية مختلفة. في كثير من الأحيان ، تشكل خلايا المستقبلات الكهربائية أعضاء متخصصة. سننظر هنا في واحدة من هذه الأعضاء الموجودة في أسماك القرش وسمك الراي اللساع - لورنسيني أمبول (هذا العضو وصفه العالم الإيطالي لورنسيني عام 1678).

اعتقد لورنسيني أن الأمبولات عبارة عن غدد تنتج مخاط الأسماك (على الرغم من أنها لا تستبعد الاحتمالات الأخرى). إن Lorenzini ampoule هي قناة تحت الجلد ، أحدها مفتوح أمام البيئة الخارجية (يسمى مدخلها أحيانًا المسام) ، والطرف الآخر به امتداد ممل (ampoule) ؛ تملأ القناة من كتلة تشبه الهلام. خلايا المستقبلات الكهربائية تصطف "أسفل" الأمبولة في صف واحد.

من المثير للاهتمام (في الواقع ، سخرية القدر) أن باركر ، الذي لاحظ لأول مرة أن الأسماك تتفاعل مع التيارات الكهربائية الضعيفة ، درس أيضًا أمبولات لورينزيني ، لكنه عزاها إلى وظائف مختلفة تمامًا. وجد أنه من خلال دفع العصا على المدخل الخارجي للقناة ("الوقت") ، يمكن أن يحدث تفاعل قرش (على سبيل المثال ، حدوث تغيير في وتيرة دقات القلب).

من هذه التجارب ، خلص إلى أن أمبوري لورينسيني هو مقياس لقياس عمق غمر الأسماك ، خاصة وأن بنية العضو كانت تشبه مقياس المانومتر. لكن هذه المرة ، تبين أن تفسير باركر خاطئ. إذا وضعت سمكة قرش في غرفة ضغط وخلقت ضغطًا متزايدًا فيها (محاكاة زيادة في عمق الغمر) ، فإن استجابة Lorencini ampoule لا تستجيب له - ويمكن القيام بذلك دون إجراء تجربة: يضغط الماء من جميع الجوانب ولا يوجد أي تأثير). وعند الضغط فقط على المسام الموجود في الهلام الذي يملأه ، ينشأ فرق محتمل ، على غرار كيفية ظهور فرق محتمل في بلورة كهرضغطية (على الرغم من اختلاف الآلية الفيزيائية للفرق المحتمل في القناة).

كيف يتم ترتيب أمبولات لورنزيني؟ لقد اتضح أن جميع خلايا الظهارة المبطنة للقناة متصلة ببعضها البعض من خلال "جهات اتصال مشددة" خاصة ، مما يوفر مقاومة خاصة عالية للظهارة (حوالي 6 MOhm-cm2). تمتد قناة مغلفة بمثل هذا العزل الجيد أسفل الجلد ويمكن أن يصل طولها إلى عدة عشرات من السنتيمترات. على العكس من ذلك ، فإن الجيلي الذي يملأ قناة لورنزيني أمبول لديه مقاومة منخفضة للغاية (حوالي 30 أوم-سم) ؛ ويضمن ذلك حقيقة أن مضخات الأيونات تضخ الكثير من أيونات K + في تجويف القناة (تركيز K + في القناة أعلى بكثير منه في ماء البحر أو في دم السمك). وبالتالي ، فإن قناة العضو الكهربائي عبارة عن قطعة من الكابل الجيد مع مقاومة عزل عالية وجوهر موصل جيدًا.

يتم وضع "قاع" الأمبولة في طبقة واحدة بعدة عشرات الآلاف من خلايا المستقبلات الكهربائية ، والتي يتم لصقها أيضًا بإحكام. اتضح أن خلية المستقبلات في أحد الطرفين تبدو داخل القناة ، وفي الطرف الآخر تشكل مشبكًا ، حيث تثير وسيطًا مثيرًا يعمل على طرف مناسب من الألياف العصبية. كل أمبولة مناسبة من 10 إلى 20 من الألياف الواضحة ، ويعطي كل منها العديد من المحطات الطرفية التي تذهب إلى المستقبلات ، ونتيجة لذلك ، تعمل ما يقرب من 2000 خلية مستقبلية على كل ألياف (يجب الانتباه إلى هذا - وهذا أمر مهم!).

دعونا الآن نرى ما يحدث لخلايا المستقبلات الكهربائية نفسها تحت تأثير المجال الكهربائي.

إذا تم وضع أي خلية في حقل كهربائي ، فإن علامة PP في جزء واحد من الغشاء تتزامن مع علامة قوة المجال ، وفي الجانب الآخر ، تتضح أنها عكس ذلك. هذا يعني أنه في نصف الخلية ، سوف يزداد MP (الغشاء شديد الاستقطاب) ، ومن ناحية أخرى ، سينخفض ​​(الغشاء سوف يستقطب).

عمل المجال الكهربائي على الخلية

اتضح أن كل خلية "تحسس" الحقول الكهربائية ، أي أنها مستقبلة كهربية. ومن الواضح: في هذه الحالة ، تختفي مشكلة تحويل إشارة خارجية إلى إشارة طبيعية للخلية - الإشارة الكهربائية.وبالتالي ، تعمل خلايا المستقبلات الكهربائية بكل بساطة: مع وجود علامة مناسبة للحقل الخارجي ، يتم إزالة الغشاء المتشابك لهذه الخلايا ، وهذا التحول في الضوابط المحتملة يتحكم في إطلاق الوسيط.

لكن السؤال الذي يطرح نفسه هو: ما هي ملامح خلايا المستقبلات الكهربائية؟ يمكن لأي خلية عصبية أداء وظائفهم؟ ما هو الترتيب الخاص لأمبولات لورينزيني؟

نعم ، من الناحية النوعية ، يمكن اعتبار أي خلية عصبية مستقبلاً كهربائياً ، لكن إذا تحولنا إلى تقديرات كمية ، فإن الوضع يتغير. الحقول الكهربائية الطبيعية ضعيفة للغاية ، وتهدف جميع الحيل التي تستخدمها الطبيعة في الأعضاء الحساسة للكهرباء ، أولاً ، إلى اكتشاف أكبر فرق محتمل في الغشاء المتشابك ، وثانياً ، لضمان حساسية عالية لآلية إطلاق الوسيط للتغيير MT.

تتمتع الأجهزة الكهربائية لأسماك القرش والراي اللساع بأعلى مستوياتها (يمكننا القول ، عالية بشكل خيالي!) الحساسية: تتفاعل الأسماك مع الحقول الكهربائية بكثافة 0.1 μV / سم! لذلك يتم حل مشكلة الحساسية ببراعة في الطبيعة. كيف يتم تحقيق هذه النتائج؟

أولاً ، يسهم جهاز أمبولات Lorenzini في هذه الحساسية. إذا كانت شدة المجال 0.1 μV / cm وطول قناة الأمبولة 10 سم ، عندئذٍ سيكون هناك فرق محتمل قدره 1 μV لكامل الأمبولة. سوف يقع كل هذا الجهد تقريبًا على طبقة المستقبلات ، لأن مقاومته أعلى بكثير من مقاومة الوسط في القناة.

القرش يستخدم مباشرة قانون أوم: V = IR ، بما أن التيار المتدفق في الدائرة هو نفسه ، فإن انخفاض الجهد يكون أكبر عندما تكون المقاومة أعلى. وبالتالي ، كلما طالت قناة الأمبولة وانخفضت مقاومتها ، زاد الفرق المحتمل لجهاز الاستقبال الكهربائي.

ثانياً ، يتم تطبيق قانون أوم من قبل مستقبلي الكهرباء أنفسهم. تتمتع الأجزاء المختلفة من الغشاء أيضًا بمقاومة مختلفة: الغشاء المتشابك ، حيث يبرز الوسيط ، يتمتع بمقاومة عالية ، والجزء الآخر من الغشاء صغير ، لذلك يتم توزيع الفرق المحتمل هنا بشكل أكثر ربحية.

أما بالنسبة لحساسية الغشاء المتشابك في تحولات MP ، فيمكن تفسير ذلك بأسباب مختلفة: قد يكون لقنوات هذا الغشاء أو آلية طرد الوسيط نفسها حساسية عالية للتحولات المحتملة.

اقترح A. L. Call إصدارًا مثيرًا للاهتمام لشرح الحساسية العالية لإطلاق الوسيط لتحولات MP. فكرته هي أنه في مثل هذه المشابك ، يتدفق التيار الناتج عن الغشاء بعد المشبكي إلى خلايا المستقبلات ويعزز إطلاق الوسيط ؛ نتيجة لذلك ، تظهر ردود فعل إيجابية: يؤدي إصدار الوسيط إلى حدوث PSP ، بينما يتدفق التيار عبر المشابك ، وهذا يعزز إصدار الوسيط.

من حيث المبدأ ، يجب أن تعمل مثل هذه الآلية بالضرورة. لكن في هذه الحالة ، يكون السؤال كميًا: ما مدى فعالية مثل هذه الآلية في لعب دور وظيفي؟ في الآونة الأخيرة ، تمكن أ. ل. فيزوف ومعاونوه من الحصول على بيانات تجريبية مقنعة تؤكد أن مثل هذه الآلية تعمل بالفعل في مستقبلات الضوء.