Электрический глаз величиной во все тело
Доктор физико-математических наук В. ОЛЬШАНСКИЙ.
Далеко не все науки имеют явного основоположника. Даже когда новизна открытия очевидна, кто-нибудь, часто сам первооткрыватель, находит какие-нибудь намеки на то, что и идея не слишком оригинальна, и доказательства не окончательны и вообще все это давно было опубликовано.
Следующим заметным событием в истории науки, связанным с электрическими рыбами, стали эксперименты Луиджи Гальвани и Алессандро Вольты (о великом споре физика и физиолога мы уже говорили - см. "Наука и жизнь" № 12, 2004 г.). Эксперименты Гальвани показали, что электричество свойственно не только электрическим рыбам, но и всему живому. Любая мышца, любой нерв чувствительны к электрическим стимулам и способны генерировать электрические импульсы. Согласно Гальвани, принципиальных различий между электрогенераторной тканью и обычными нервно-мышечными комплексами нет. Повторивший опыты Гальвани Вольта стоял на противоположной точке зрения - электрические органы принципиально отличны от обычных мышц и нервов. Модель электрической рыбы, созданная Вольтой, стала величайшим техническим изобретением человечества и фактическим началом электротехники, а опыты Гальвани привели к возникновению электрофизиологии.
Вольта отнюдь не скрывал бионический характер исследований, напротив, всячески подчеркивал связь своего изобретения с его биологическим прототипом: "Этот прибор, более сходный, по существу, с естественным электрическим органом электрического ската или электрического угря и т. п., чем с лейденской банкой и известными электрическими батареями, я назову искусственным электрическим органом". Для того чтобы вольтов столб действовал эффективнее, его следовало покрыть снаружи воском или смолою. Получались цилиндры с увеличенным сроком службы, поскольку жидкость не высыхала. "Они вызывают сотрясение даже при полном погружении, если содержат большое количество дисков или несколько цилиндров соединяются вместе, и если имеется какой-либо перерыв, устраняемый по желанию, то тогда эти цилиндры будут иметь полное сходство с электрическим угрем. Чтобы вполне их уподобить последним даже во внешнем виде, их можно соединить вместе металлической гибкой проволокой или спиральной пружиной, покрыть по всей длине кожей и закончить хорошо сделанными головой и хвостом".
ЗАГАДКА ДАРВИНА
После Гальвани стало возможным изучать электрические явления в живом не только на экзотических электрических рыбах, но и на легкодоступных для экспериментов лягушках, а после Вольты - проводить физические исследования электричества на моделях, вовсе не содержащих живого. И хотя Фарадей ставил забавные эксперименты на электрических угрях, пытаясь преобразовать внешнюю искусственную электрическую энергию в их жизненную силу, новых физических открытий не случилось. Великое объединение электричества, магнетизма и оптики, которым так гордятся физики, сопровождалось разъединением электрической теории от своего биологического прошлого.
Новая мировоззренческая проблема, в которой электрические рыбы выделялись как особый объект исследований, была названа через полвека и относилась не к физике, а к биологии. В шестой главе своего известного труда "Происхождение видов путем естественного отбора" Чарльз Дарвин пишет об электрических органах рыб: "…трудно представить себе, какими шагами могло идти образование этих изумительных органов. Но это неудивительно, так как мы не знаем даже, для чего они служат. У Gymnotus и у Torpedo они, конечно, представляют собою мощные средства защиты, а может быть, и преследования добычи, но у ската Raja аналогичный орган в хвосте производит мало электричества, даже когда животное раздражено, так мало, что он едва ли может служить для указанных целей".
РЫБА СО СТРАННЫМ ХВОСТОМ
Слова Вольты о том, что законченная модель электрической рыбы требует добавления хорошо сделанных головы и хвоста, оказались пророческими. Именно с необычного хвоста началась новая эпоха в изучении и моделировании электрических рыб, надолго сделавшая их излюбленным объектом нейроэтологов - специалистов по головам. Хвост принадлежал привезенной из Африки рыбе - гимнарху и был необычной формы - тонкий, лишенный хвостового плавника. И эта рыба очень грациозно плавала с помощью волнообразных движений своего длинного спинного плавника, с равной легкостью вперед и назад, никогда не натыкаясь на препятствия и точно атакуя добычу.
Человек, который наблюдал за гимнархом, - Ганс Вернер Лиссманн знал толк в точности движений. С 1934 года он работал в Кембридже, в лаборатории известного специалиста по локомоции сэра Джеймса Грея и умел выявлять тонкие механизмы ползания и плавания змей, пиявок, жаб, рыб. Более всего его поразила способность гимнарха обнаруживать препятствия при движении хвостом вперед. Чем, простите, он мог бы их видеть? И какое отношение ко всему этому мог иметь электрический орган, как известно, расположенный в этом необычном хвосте?
Погрузив в аквариум пару приемных электродов, Лиссманн регистрирует непрерывную последовательность импульсов поразительно стабильной частоты (порядка 300 Гц) и амплитуды (около 30 мВ в метре от рыбы). Позже Лиссманн писал, что ожидал не этого - обычных всплесков и импульсов, генерируемых вблизи себя живыми организмами. А тут такой радиотехнический сигнал! Но если перемещать регистрирующие электроды относительно рыбы, то легко видеть, что и амплитуда меняется, и фаза перекидывается, так что сомнений нет - источник в хвосте гимнарха. После работ Лиссманна рыб будут делить на волновых - с четким ритмом разрядов и пульсирующих - с нерегулярными интервалами между отдельными короткими разрядами. Из африканских электрических рыб к последним принадлежат все, кроме гимнарха. И начни Лиссманн с пульсирующих, то, может быть, не произвели бы они на него столь сильного впечатления, чтобы отложить исследования механизмов ползания змей и червяков и бросить все силы на разгадку Дарвиновской головоломки - зачем рыбам слабые электрические органы. Впрочем, Лиссманна привлекала в первую очередь именно необычная локомоция гимнарха, секрет которой он и пытался понять, обращая особое внимание на возможную взаимосвязь между электрическими свойствами рыб и особенностями их плавания и строения.
В феврале 1951 года журнал "Nature" опубликовал короткое сообщение Г. Лиссманна "Непрерывные электрические сигналы от хвоста рыбы Gymnarchus niloticus". Речь шла о том, что гимнарх генерирует разряды постоянно - и когда плывет, и когда стоит на месте. Более того, Лиссманн обнаружил, что рыба реагирует на искажения своего поля, когда в него вносят дугу из медной проволоки или другие объекты, и на внешние электрические поля близкой частоты. Если с помощью системы обратных связей предъявить рыбе ее собственные разряды, приложенные на некотором расстоянии, то она обнаруживает источник и атакует электроды. Завершалась статья горестным вздохом, что по ходу опытов гимнарх сдох и экспериментировать стало не с чем.
Потом были полугодовая экспедиция в Гану и многолетние лабораторные эксперименты на гимнархе, мормиридах (африканских клюворылах) и гимнотидах, близких родственниках электрического угря. В 1958 году в "Journal of Experimental Biology" выходит главная статья Г. Лиссманна - "О функции и эволюции электрических органов рыб", основной постулат которой сформулирован так: "электрические органы следует рассматривать не сами по себе, а как часть общей организации рыбы, играющей роль в ее взаимодействии с окружающим миром".
Читайте в любое время
