Я познаю мир. Биология

Конкурс специалистов

Так в балладе о графине Эллен де Курси М. Горький определил предназначение наших органов чувств. Однако многое из происходящего вокруг нас недоступно нашему взору, слуху или обонянию. Человеческий глаз не видит рентгеновские лучи, а какая — то бесчувственная фотопластинка их «замечает». Мы не ощущаем радиоактивные излучения, не имеем рецепторов, позволяющих оценить величину атмосферного давления или поляризацию световых лучей. Давным — давно люди заметили, что собаки и слышат несравненно лучше человека, и ощущают запахи, нам совершенно недоступные, а острота зрения большинства хищных птиц намного превосходит человеческую. С обонянием дело обстоит еще хуже. Кролик способен ощущать 24 первичных запаха, собака, видимо, — 35, а человек — всего 7–14. Подумать только, человек, венец творения природы, весьма далек от совершенства! Во многих областях мы конкурировать с животными никак не можем.

Имея весьма чувствительные рецепторы, животные тем не менее не извлекают из окружающей среды всеобъемлющей информации. Они видят, слышат и обоняют лишь то, что им важно для выживания. Акустический рецептор в крыльях ночных бабочек воспринимает лишь ультразвуковые сигналы охотящихся за ними летучих мышей. Это позволяет им спасаться от прожорливых хищников, камнем падая в траву. Зато звуки более низких частот ночные бабочки не слышат, да они их и не интересуют. Рычание медведя или рев тигра для них пустой звук — эти звери опасности для них не представляют.

Изучение анализаторных систем животных — сложное и трудоемкое дело. Особенно если речь идет о таких явлениях, которые недоступны непосредственному восприятию наших органов чувств. Оказывается, нелегко разобраться даже в таком, казалось бы, простом вопросе, *сак слух. Почему, например, мелкие животные лучше воспринимают высокочастотные звуки, чем большинство крупных существ? Для чего им это? Для человека, не обладающего знаниями определенного набора физических законов, это трудный вопрос. В этом разделе будет рассказано об анализаторных системах животных, работа которых была изучена недавно.

Усы — совсем не для красы

Подавляющее большинство млекопитающих, и не только сильный пол, но и слабый, носят усы, или, правильнее, вибриссы. Это — длинные, жесткие волосы, выполняющие осязательную функцию. Растут они на голове, шее, а у белок и других древесных животных — на груди и брюхе.

У наших домашних кошек вибриссы сидят на верхней челюсти по обе стороны носа, в нижней части подбородка и над глазами, создавая вокруг мордочки своеобразный нимб. У небольшого грызуна песчанки, длина туловища которой около 10 см, нимб вокруг мордочки из вибрисс имеет в диаметре более 10 см. Волосы направлены слегка вперед, поэтому песчанка, странствуя в темноте, еще за 3 см от преграды почувствует, что уперлась в стенку.

Вибриссы, как и все прочие волосы, растут из волосяной сумки. В ее стенках находятся нервные клетки, воспринимающие малейшее движение волоса. Когда его кончик задевает за посторонние предметы, он действует подобно рычагу, надавливая на нервные окончания. Все вместе вибриссы образуют осязательный рецептор с большой воспринимающей поверхностью.

Роскошные кошачьи усы дают их обладателям возможность тонко анализировать окружающую среду. В том числе движения мышонка, если он коснется усов. Каждый волос посылает в мозг информацию только в том случае, если его будут сгибать в определенном направлении. Вибриссы разных участков тела настроены на восприятие различно направленных движений. Анализируя полученную информацию, мозг учитывает характер и направление движения частей тела животного, снабженных вибриссами. Это позволяет животному получить исчерпывающую информацию о том, имеет ли дело хозяин усов с неподвижным предметом или с живым существом, каковы его размеры и вес.

Кошки, преимущественно охотящиеся ночью, да к тому же в густых зарослях, имеют более развитые вибриссы, чем представители семейства собачьих, предпочитающих открытые пространства и не стесняющихся совершать свои охотничьи набеги засветло. Отличные вибриссы имеют норные животные. Крот, без большой нужды вообще не появляющийся на поверхности, наделен полным набором вибрисс. Во время прогулки по темным подземельям впереди него шествует боевое охранение — вибриссы, осуществляя разведку окружающего пространства.

Используют вибриссы и водные животные — выдры, бобры, тюлени, морские котики, каланы. Среди китообразных их сохранили самые крупные виды: гладкие киты и полосатики. Вибриссы растут у них по краям нижней челюсти и на верхней поверхности головы. По китовым масштабам волос немного: 250 у гренландского кита, 50–100 у полосатиков. Вибриссы гигантов — карлики: тоненькие, всего 0,2–0,4 мм толщиной, а в длину едва достигают 1 см. Из зубатых китов вибриссы имеют только некоторые дель* фины, да и то лишь в первые 1–2 месяца жизни.

А зачем усы новорожденным дельфинятам, догадались? С их помощью беспомощным детенышам легче отыскивать соски молочных желез матери!

Зачем усы большим китам? Большинство из них питаются планктоном — мелкими ракообразными или мелкой стайной рыбешкой. Между тем глаза у кита расположены так, что он не видит своей жертвы, когда она находится совсем близко. Информацию из этого «мертвого» пространства посылает в мозг лишь осязательный аппарат вибрисс. Когда голова животного попадает в скопление криля и рачки начинают беспрерывно задевать его усы, кит знает, что пора открывать рот. А усы на затылке тоже нужны. Они информируют исполина о том, где пищи больше всего.

Песчаные скорпионы пустыни мохаве

Вибриссы — не единственные механорецепторы. Многие животные пользуются аналогичными рецепторами. Создавая механорецепторы, природа в том числе создала рецепторы для улавливания вибрации.

Если заставить колебаться частички среды в одном месте, они станут «толкать» соседние частицы, вызывая и их колебания, а те, в свою очередь, заставят колебаться следующие. В результате колебания, возникающие в каком — то определенном месте, будут распространяться во все стороны, как волны от брошенного в пруд камня. Многие животные имеют специальные рецепторы для анализа вибрации. Пауки не только прекрасно ее улавливают, но и создают специальные приспособления — паутину, помогающую обнаруживать и усиливать вибрацию.

Песчаные скорпионы, живущие в Северной Америке на юге пустыни Мохаве, — ночные хищники. На охоту они выходят, когда спадет дневной нестерпимый зной и пустынные насекомые начнут появляться на поверхности остывшего песка. В это время пользоваться зрением невозможно, слишком темно. В самое темное время суток глаза не могут помочь хищнику обнаружить добычу, да скорпион и не смотрит по сторонам. Чаще всего он охотится на роющих пустынных тараканов. Они живут в песке и, хотя передвигаются под самой его поверхностью, наружу не вылезают.

До знакомства с песчаными скорпионами никто из ученых распространение вибрации в песке не изучал. Считали, что рыхлый песок ее гасит. Неожиданно оказалось, что волны вибрации, вызванные не очень частыми колебаниями, в песке распространяются совсем неплохо, правда, гораздо медленнее, чем в твердых телах, в воде или даже в воздухе. В песке возникают два типа волн. Одни, их называют волнами сжатия, распространяются как в толще песка, так и по его поверхности со скоростью 120–150 метров в секунду, то есть почти в три раза медленнее, чем в воздухе. Волны второго типа распространяются только по поверхности песка со скоростью 50 метров в секунду.

Так вот, у этих скорпионов нашлись органы, способные воспринимать слабые волны вибрации. На их лапках находятся многочисленные волоски с отходящими от них нервами, улавливающие волны сжатия. Если тонкой щетинкой дотронуться до любого из волосков, информация об этом будет тотчас передана в соответствующий нервный ганглий. Кроме того, на лапках скорпиона имеются и щелевые рецепторы, улавливающие приход поверхностной волны. Отправляясь на охоту, пустынный скорпион не залезает ни на камень, ни на ветку кустарника, а затаивается на поверхности песка.

Итак, зашло солнце, и на пустыню опустилась ночь. Скорпион дождался, когда песок остынет, выбрался из своего убежища, принял охотничью позу и замер с широко расставленными ногами. Вскоре где — то в песке проснулся пустынный таракан и шевельнул передними лапками. Его движения породили вибрацию песка. Первыми до скорпиона добежали волны сжатия. Они распространяются так быстро, что скорпион не может понять, какая из его лапок первой уловила их приход. Для скорпиона они лишь сигнал начала охоты.

В следующее мгновение до скорпиона добираются медленные поверхностные волны. Скорпион замечает, какая из лапок первой уловила их приход, поворачивается в ее сторону и делает короткий бросок. Установить точное местоположение таракана скорпиону с первой попытки не удается, и после каждого броска он на мгновение замирает, «прислушиваясь» к вибрации и уточняя, откуда приходят ее волны.

Когда охотник оказывается непосредственна над своей жертвой, волны вибрации будут одновременно приходить ко всем его восьми лапкам. Это его обескураживает, он вертится на одном месте, делает короткие броски в сторону, но наконец догадывается, в чем дело, и несколько раз вонзает свои клешни в песок, пока ему не удастся нащупать и схватить добычу. Тогда охотник поспешно выкапывает таракана, убивает, вонзив в его тело жало, и приступает к обеду.

Охотнику важно не только знать, в каком направлении следует вести поиск добычи, но и на каком расстоянии она находится. Об этом скорпиону тоже рассказывают волны вибрации. Ему нужно только сравнить, как скоро после прихода волны сжатия приходит поверхностная волна. Чем больше интервал между моментами прихода этих волн, тем дальше от охотника находится добыча.

Определить, где находится добыча, — дело сложное. Если охотник потерял одну ногу, ему будет значительно труднее понять, где находится добыча. Без двух ног найти дичь еще труднее. Потеряв половину ног, скорпион охотиться уже не сможет.

Ориентирование по вибрации имеет только один недостаток — незначительная дистанция обнаружения. При этом охотник не может ходить и разыскивать дичь и вынужден ждать, когда добыча сама окажется недалеко от него. Ведь многие пауки и насекомые тоже имеют приспособления для улавливания вибрации. Они могут издалека услышать «шаги» приближающегося хищника и удрать или затаиться. Кроме того, «шум» собственных шагов мешал бы скорпиону улавливать вибрацию, вызываемую объектами охоты.

Любому животному необходимо не только вовремя услышать любой звук, но и совершенно точно знать, где находится источник звука, который оно услышало. Ведь, может быть, его произвел опасный хищник или, наоборот, желанная добыча.

А знаете ли вы, каким образом человек и животные определяют местоположение источника звука и источника запаха? Каков механизм этих процессов?

Мы — и люди, и животные — способны определять местоположение источника звука благодаря тому, что у нас два уха, расположенные на голове достаточно далеко друг от друга.

Когда звук одновременно попадает в оба уха, это значит, что его источник находится прямо перед нами. Другое дело, если звуковая волна сначала попадает в одно ухо, ближайшее к источнику звука, а немного позже добирается до второго. Эта разница во времени и есть главный источник информации о местонахождении источника звука. Когда в момент подхода звуковой волны человек стоит к ней боком, звук, чтобы добраться до второго уха, должен обогнуть голову. Предположим, что Путь до второго уха равен 20 см. Один сантиметр пути звуковая волна проходит за 30 микросекунд (мкс), а на весь путь ей потребуется 600 мкс, т. е. 6 десятитысячных секунды. Кажется, это так мало, что разницу во времени прихода звуковой волны в правое и левое ухо невозможно заметить. Однако мозг способен заметить и гораздо меньшую разницу. Когда источник звука находится всего лишь на 3° правее или левее средней линии тела, звук до второго уха добирается с ничтожной задержкой в 30 мкс, но мы улавливаем даже такой короткий интервал и достаточно точно определяем, откуда раздался звук.

К сожалению, этим способом можно определить местонахождение лишь низкочастотных источников звука. Слуховой аппарат высчитывает не просто разницу во времени прихода звука, как такового, а разницу во времени прихода одинаковых фаз звуковой волны.

Звук, как известно, — это волна, распространяющиеся периодические сжатия и расширения окружающей среды, в нашем случае воздуха. У низкочастотных звуков расширение воздуха и его последующее сжатие занимает достаточно много времени. Другое дело высокочастотные звуки. За одно и то же время воздух, через который идет высокочастотный звук, успевает совершить несколько циклов расширений и сжатий.

Поэтому при более высокочастотных звуках, имеющих более короткие волны, слуховые центры мозга начинают путаться. Например, звуку с частотой 10.000 колебаний в секунду, идущему к нам под углом 55°, чтобы обогнуть голову, нужно 450 мкс. Продолжительность цикла для этого звука равна 100 мкс, следовательно, огибая голову, звуковая волна успеет сделать 4,5 цикла. Однако до слуховых центров мозга информация о 4 полных циклах звуковой волны просто не дойдет. Они будут оперировать разницей в 0,5 цикла и, естественно, не смогут правильно определить, где возник звук. Поэтому определить местонахождение источника высокочастотного звука человек этим способом не может. По времени прихода мы можем определить лишь местоположение источника звука с частотой до 1300 колебаний в секунду.

С физическими законами не поспоришь, но можно подыскать альтернативный вариант. Существует и другой способ определить, где находится источник звука. Для этого нужно сделать точную оценку его интенсивности. При звуках низкой частоты длина звуковых волн значительно больше размера человеческой головы. При 100 колебаниях в секунду она равняется 3,3 метра. Такая волна легко огибает голову. Другое дело, если волна маленькая. У звуков с частотой 10.000 колебаний в секунду длина волны всего 3,3 сантиметра. Такие звуки отражаются головой, и второе ухо, более отдаленное от источника звука, оказывается как бы в акустической «тени». Звук дойдет и до него, но значительно ослабленным.

Если источник звука находится под углом 15°, то для звука с частотой 1000 колебаний в секунду разница интенсивности составит 150 %, а при частоте 15 000 колебаний в секунду — 900 %. Сравнивать интенсивность звуков — более сложная задача, но уже для звуков с частотой 3000–4000 колебаний в секунду разность интенсивности достаточно велика, чтобы с ее помощью определить, откуда они доносятся.

Природа наделила животных большим набором дополнительных приспособлений, чтобы легче было выяснить, откуда раздался звук. Подвижные уши антилопы или козы поворачиваются до тех пор, пока звук не будет слышаться наиболее громко и одинаково обоими ушами. В этом случае положение ушей будет точно соответствовать направлению, откуда доносится звук. У некоторых животных каждое ухо способно двигаться независимо от другого. Благодаря этому они могут одновременно определять местоположение двух источников звука и следить за их перемещениями. Для локализации слабых звуков приходится поворачивать голову в сторону источника звука и действовать двумя ушами. Здесь срабатывает механизм конвергенции (сведения ушей), несколько напоминающий механизм конвергенции глазных яблок, с помощью которого мы судим об удаленности предмета. Это помогает уточнить, где находится возмутитель спокойствия, производящий шум.

Умение точно определить местоположение источника звука помогает в толпе или за шумным праздничным столом вести беседу с человеком, находящимся далеко, так сказать, через головы своих соседей, и при этом слышать именно его голос, а не речь людей, находящихся в непосредственной близости. Оказывается, мы можем избрать источник звука, находящийся в определенном месте и, отключившись от всего остального, вслушиваться только в него.

А если нырнуть?

Почему в подводном мире мы чувствуем себя неуютно? При определении в воде местоположения источника звука первым осложнением для человека является возросшая скорость его распространения. В воде скорость звука в 4,5 раза больше, чем в воздушной среде. Соответственно, в 4,5 раза сократится разница между временем прихода звука в одно ухо по сравнению с другим. Слуховые центры человеческого мозга вычисляют направление источника звука автоматически и не желают делать поправку на то, что их владелец перешел в другую среду. Не исключено, что они не получают об этом информации. Вероятно, она просто не предусмотрена. Наша жизнь очень тесно связана с воздушной средой, поэтому сравнение времени прихода звука в правое и левое ухо под водой оказывается непригодным для определения его источника.

Мало того, что по времени прихода звука в каждое из ушей, человек ориентироваться в подводном мире не может — ориентировка по интенсивности звука в воде также невозможна. Дело в том, что ткани тела и даже кости по звукопроводности гораздо ближе к воде, чем к воздуху. Звуковые волны, наткнувшись на человеческую голову, погруженную в воду, отражаются от нее слабее, чем в воздухе. Под водой звуковой волне нет необходимости ее огибать. По костям черепа она пробирается прямо в святая святых слухового анализатора — во внутреннее ухо. Заметного ослабления звука при этом не происходит, а эффект звукомаскировки будет отсутствовать. В воде голова для звука прозрачна и не «отбрасывает акустическую тень». Таким образом, оба механизма, позволяющих наземным животным устанавливать местоположение звука, под водой не работают.

Другое дело — китообразные. Они в подводном царстве не испытывают подобных затруднений. Природа, тысячелетиями шлифуя и совершенствуя их слуховую систему, нашла блестящее решение вопроса. Среднее и внутреннее ухо дельфинов не вмонтировано в кости черепа, как у всех сухопутных существ. Замурованные в особое, чрезвычайно твердое костное вещество, звукоприемные устройства в виде отдельных образований, названных буллями, подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. Для большей надежности булли отделены от черепа специальными полостями, заполненными пеной из беловатой эмульсии.

У усатых китов, в первую очередь у полосатиков, связь черепа со слуховой костью, хотя и незначительная, сохранилась, однако специальная звукоизоляция препятствует переходу звука с черепа на буллю. Полностью независимые друг от друга звукоприемники правого и левого уха превосходно приспособлены для определения местоположения источников звука. Если бы инженеров попросили переделать внутреннее ухо современных наземных позвоночных животных, чтобы им можно было пользоваться под водой, они, несомненно, поступили бы аналогичным образом.

Глаза — путешественники

Удивительные изменения претерпевают в течение жизни глаза некоторых рыб. Мальки у большинства рыб, как бы причудливо ни выглядели взрослые, формой тела похожи на обычных, привычных нам «рыбешек». И глаза у них расположены по бокам головы, как положено рыбам. При этом каждый глаз видит только то, что находится с его стороны, поэтому «нормальные» рыбы одновременно двумя глазами видеть не могут. Но есть и такие рыбы, которые во взрослом состоянии начинают вести донный образ жизни. Эти рыбы — засадники часами лежат на дне, поджидая добычу. Форма тела и головы у таких рыб меняется. Они становятся плоскими, чтобы удобнее было лежать на песке, а глаза перебираются на лоб. Теперь рыба на все смотрит сразу двумя глазами, направленными вперед и вверх.

Длинное путешествие проделывает глаз у камбалы. Эта донная рыба, как известно, лежит не на брюхе, а на боку. Естественно, глазу, оказавшемуся на нижней стороне тела, совершенно не нужно смотреть в песок, и он постепенно «переползает» на другую сторону головы. У взрослых камбал одна сторона тела слепая, зато другая имеет два глаза.

Большие путешествия совершают глаза глубоководных рыб идиакантов. Самки у них достигают 40 см в длину, у них тонкое тело, крупная голова и огромная зубастая пасть. Рыбка может заглатывать добычу гораздо толще себя и при этом чудовищно раздувается. Самцы значительно мельче. У них нет зубов, и, став взрослыми, они перестают питаться. У самца и самки обычные по величине и нормально расположенные глаза. Другое дело личинки этих рыб. Они имеют тонкое длинное тело, крохотную головку и глаза, сидящие на стебельках длиной в треть тела рыбки. Ученые пока не знают, помогает ли им такое устройство глаз лучше ориентироваться в подводном царстве. Зато о другой их функции известно доподлинно. Мальки используют глаза как подводные крылья. Они позволяют личинкам парить в толще воды, не затрачивая дополнительной энергии. По мере роста личинки глаза приближаются к голове и наконец занимают положенное им место.

Меняют свое место и глаза лягушек. У головастиков маленькие глазки расположены по бокам головы и углублены в кожу, а у взрослой лягушки они становятся большими, перебираются на верхнюю часть головы и выступают из черепа… Благодаря этому сидящая лягушка хорошо видит всё, что происходит спереди, сбоку, сверху и сзади, причем значительная часть пространства видна ей одновременно двумя глазами. Лишь узенькая полоска земли возле самой лягушки выпадает из ее поля зрения. Причина «переезда» глаз понятна. Для головастика глаза большого значения не имеют. Это растительноядные существа и пищу могут находить с помощью обоняния, а взрослые лягушки живут охотой на всякую прыгающую и летающую живность.

Глаз способен хорошо видеть, только когда его размеры достигнут определенной величины. Поэтому можно заранее сказать, что крохотные глаза рыбьих мальков, головастиков, водных лягушек — хенопсусов видят плохо. По мере роста молодых животных у них увеличиваются и глаза, но особенно энергично они растут у некоторых рыб. В результате у взрослых рыб глаза, в сравнении с размерами их тела, кажутся гигантскими. Представьте — у маленькой рыбки, светящегося анчоуса, они по размеру достигают половины головы!

Если сравнить размеры глаз с величиной самого животного, то окажется, что самыми крупными глазами обладают птицы, однако они не производят впечатления крупноглазых существ, так как большая часть глазного яблока у них скрыта внутри глазницы, а в разрезе век видна лишь его малая часть. Птицы вылупляются из яиц уже крупноглазыми, но их глаза могут расти и потом и даже менять свою форму. По остроте зрения птичьи глаза не знают себе равных. У одних они играют роль бинокля, другим служат в качестве микроскопа.

Хищные птицы должны быть дальнозоркими. Канюк, кружащийся над лугом, высмотрит в траве крохотного мышонка. Кобчик чуть ли не за километр обнаружит в воздухе стрекозу. Гриф — стервятник, высматривающий падаль, парит над саванной на высоте от двух до четырех километров. Чтобы глаз мог видеть вдаль, он из шаровидного превращается в цилиндрический. Глаза, работающие как микроскопы, наоборот, из шарообразных становятся сплющенными. Без этого синицы и славки не могли бы собирать с коры и листьев крохотных насекомых и тем более их яички.

У молодых птенцов глаза расположены по бокам головы. Там они и остаются у большинства птиц. Поэтому птицы хорошо замечают все, что делается вокруг, но любой предмет видят только одним глазом. Лишь узкая полоска пространства впереди головы видна одновременно обоими глазами, но видна плохо, так как изображение в этом случае попадает на боковую часть сетчатки. Тот, кто наблюдал за поведением птиц в неволе, вероятно, замечал: если попугаю или другой птице хочется рассмотреть что — то получше, они смотрят одним глазом, смешно поворачивая голову набок.

У птиц, ищущих корм на ощупь, — колпиц, караваек, вальдшнепов — глаза сдвинуты на затылок, и они могут видеть двумя глазами даже то, что находится сзади. У сов, наоборот, глаза сдвигаются вперед, и взрослые птицы смотрят на мир сразу двумя глазами. У них тоже весьма зоркие глаза, ведь охотятся эти птицы в сумерках. Поле зрения глаз совы, — то есть то, что она может видеть, не поворачивая головы, — очень узко, а глаза у них при этом намертво закреплены в глазницах. Это обстоятельство послужило поводом считать, что совы днем при солнце ничего не видят. На самом деле они отлично видят, но только то, что находится прямо перед ними. А неподвижность глаз компенсирует шея, позволяющая поворачивать голову на 180°.

Удивительные превращения глаз происходят у небольших глубоководных рыб батилихнопсов. У взрослых рыб они становятся очень большими, приобретают цилиндрическую форму, перебираются на лоб и направлены вперед и вверх. Кроме того, сбоку из каждого глаза вырастает второй, поменьше, со зрачком, направленным вниз. Так что рыба видит и то, что вверху, и то, что внизу.

Есть глубоководные рыбы, у которых с каждой стороны головы тоже образуются по два сросшихся между собой глаза, только зрачок дополнительного открывается не наружу, а в полость главного. Такой глаз улавливает лучи, идущие сбоку и не попадающие на светочувствительные клетки главного. Такой «двойной глаз» имеет более широкое поле зрения.

Электрические рыбы

Чтобы вы подумали, увидев маленькую рыбку, висящую у самой поверхности воды головой вниз, как будто ее кто — то подвесил за хвостик? И мало того, что она висит, она еще потихоньку плывет брюхом вперед, не меняя при этом своей экстравагантной позы.

А что можно подумать о рыбке, которая плывет на боку у самого дна, да к тому же хвостом вперед? Странные рыбки! С ними встретились наши ученые, побывавшие в Южной Америке на реке Укаяли, крупном притоке Амазонки. Не только поведение, но и название этих рыб необычное. Зоологи называют их «электрическими рыбами».

Зоологи делят электрических рыб на две группы. Одни из них вырабатывают такой сильный ток, что с его помощью охотятся на мирных рыбешек, лягушек и водяных змей. Разряды электрического угря такой силы, что могут сбить с ног не только человека, но и лошадь. Это очень интересные существа, но сейчас речь пойдет о рыбах второй группы, о слабоэлектрических рыбешках. Они генерируют электрические разряды небольшой силы и, взяв их в руки, человек не испытает неприятных ощущений.

Между обеими группами электрических рыб большая разница. Охотники, владеющие электрическим оружием, — это крупные рыбы или рыбы средней величины. Свое оружие они используют и для обороны, если им кто — нибудь угрожает, и для охоты, когда вблизи появляется подходящая «дичь» или хотя бы возникает подозрение, что рядом находятся существа, которых можно съесть.

Другое дело — слабоэлектрические рыбы. Среди них много совсем маленьких рыбешек, а свои электрические разряды они генерируют, если и не непрерывно, то во всяком случае длинными сериями в течение десятков минут, причем производят от 50 до 1000, а иногда и больше разрядов в секунду. Величина этих разрядов настолько мала, что обнаружить их удается лишь чувствительными электроизмерительными приборами. Невольно возникает вопрос: зачем эти рыбы обзавелись электрическими органами, для чего прилежно генерируют электричество и способны ли сами ощущать слабые электрические разряды?

Вода природных водоемов, рек, озер, прудов, болот и особенно соленая вода морей, хорошо проводит электричество, а в живом организме, в каждой его клеточке, постоянно осуществляются электрические реакции. Они возникают и в неживой неорганической природе. Если в каком — то участке водоема изменяется температура воды, ее соленость, появляются примеси других веществ или скопления живых организмов, всё это будет сопровождаться возникновением электрических реакций. В результате различные участки водоема будут отличаться по величине своего электрического заряда и между ними, как между полюсами батарейки, потечет ток. Величина этого тока, конечно, мизерна, но в результате в водоеме создаются постоянно изменяющиеся электрические поля.

Тела живых организмов прекрасно проводят электричество. Живя в постоянно меняющемся электрическом мире водоемов, участвуя в создании, изменении или искажении существующих электрических полей, живые организмы не могли «пройти» мимо таких явлений окружающей их среды, не отреагировать на эти поля. Вот почему у многих водяных организмов появились электрорецепторы — специальные органы, способные с феноменальной чувствительностью улавливать малейшие изменения электрической обстановки в водоеме и анализировать ее, с тем чтобы установить причину, вызывающую эти изменения.

Электрорецепторы

Специфические чувствительные приборчики — электрорецепторы обнаружены лишь у водных позвоночных: миксин и миног, акул и скатов, костистых рыб. Они входят в число рецепторных органов боковой линии или просто разбросаны в коже разных участков тела.

Наиболее часто встречаются электрорецепторы двух типов. Одни из них названы ампулярными, от слова ампула. Они представляют собой канал, расположенный в толще кожи, один конец которого крохотной порой открывается наружу, а в другом, ампулообразно расширенном конце, находятся электрочувствительные клетки. Они сидят в толще стенок ампулы, выставив в ее просвет одну ресничку или целую щетку их. Канал может быть очень коротким, длиной всего несколько десятков микрон, или более длинным — до 20 мм, а его ширина редко достигает 1,5 мм.

Канал заполнен желеобразной жидкостью, хорошо проводящей электричество, а стенки канала — хорошие изоляторы. Благодаря такому устройству электрический ток, возникающий в воде, без серьезных потерь добирается до воспринимающих ворсинок, а электрические токи самих рыб добраться до них не могут. Стенки канала надежно изолируют рецепторы от электрических реакций, возникающих в собственном теле рыбы.

Другой тип — бугорковые электрорецепторы. Они названы так потому, что в виде крохотных бугорков выступают на поверхности кожи. Электрочувствительные клетки находятся во внутренней полости бугорка. Она никак не соединена с наружной средой, однако оболочки клеток верхней стенки бугорка хорошо проводят электричество, но от разрядов, возникающих в собственных электрических органах, рецепторные клетки также надежно изолированы.

По своей чувствительности бугорковые рецепторы серьезно отстают от ампулярных, но они предназначены для контроля более сильных полей, создаваемых самой рыбой. Ампулярные же рецепторы используются для обнаружения электрических полей, создаваемых работающими мышцами других существ. Вот почему бугорковые рецепторы бывают только у электрических рыб, а ампулярными нередко оснащены и другие существа, у которых нет собственных электрических органов.

Чувствительности электрорецепторов рыб могут позавидовать созданные людьми электроизмерительные приборы. Некоторые рыбы ощущают изменение в напряженности электрического поля, если на протяжении 1 см оно уменьшается или возрастает всего на 0,0000001—0,000001 вольта. Если поле, производимое слабенькой батарейкой от карманного фонарика, «размазать» по 200–километровой дистанции, изменение напряженности на 1 см длины все равно будет в несколько раз больше.

Электрорецепторные клетки рыб беспрерывно шлют в их мозг нервные импульсы с постоянной скоростью 10–30 импульсов в секунду. Если напряженность электрического поля вокруг рыбы меняется, изменяется и реакция рецепторов. Электрический ток, текущий в направлении от электрорецепторов в сторону воды, у акул и скатов, живущих в морской соленой воде, вызывает увеличение частоты импульсов, а ток, текущий в направлении электрорецепторов, замедляет их генерацию.

У пресноводных рыб все наоборот: реакцию их рецепторов усиливает ток, текущий в направлении электрорецепторов, а ток противоположного направления уменьшает частоту электрических разрядов. Мозг рыб анализирует и сопоставляет информацию, поступающую от рецепторов разных участков тела, и на основании проведенного анализа делает выводы о причинах изменения электрической обстановки.

Ножетелка и ее электролокатор

Небольшие рыбешки чёрные ножетелки длиной 10–15 см ведут ночной образ жизни. Днем они прячутся в убежищах: в дуплах затопленных деревьев, между их корней или в нишах под берегом среди обнажившихся корней прибрежных кустов. Они не просто прячутся там — не отдыхают, не спят, а ведут себя весьма активно. Забравшись в убежище на рассвете, они на протяжении часа беспрерывно раскачиваются из стороны в сторону. Затем на 20–30 минут все — таки делают перерыв на отдых, ложатся на бок и замирают. Отдохнув, а, может быть, выспавшись, они начинают медленно вращаться вокруг своей продольной оси, тщательно «ощупывая» кончиком рыла стенки своего укрытия и при этом беспрерывно генерируют электрические разряды. Убедившись, что всё в порядке, ножетелка, приняв нормальное положение, начинает раскачиваться и так ведет себя все светлое время суток.

С наступлением темноты рыбешки покидают свои убежища и отправляются на поиски пищи. При этом ножетелка сначала плывет на боку у самого дна, двигаясь хвостом вперед. Обнаружив корм, она (боюсь, мне никто не поверит!) обследует его хвостом. Затем проплывает 2–3 раза около своей добычи и, убедившись, наконец, что обнаружен съедобный объект, хватает его и уплывает в укрытие, чтобы там отправить добычу в желудок.

Обследовав всё дно вблизи от укрытия, рыбка переключается на обследование поверхности воды, только теперь подвешивается вниз головой и, почти касаясь хвостом поверхности, энергично генерирует электрические разряды. Во время коротких одно — двухминутных вылазок на охоту, рыбка двигается с большой скоростью. Она торопится (ведь так легко попасться на глаза хищнику), но, добравшись до поверхности и приступив к охоте, движется медленно грудью вперед. В зависимости от обилия корма вечерняя охота продолжается от получаса до двух часов и столько же длится в предрассветное время.

Для чего рыбе электрический орган и зачем она беспрерывно генерирует электрические разряды? Оказывается, для электроло* кации, чтобы с ее помощью обнаруживать добычу и врагов. Работа электрического органа создает вокруг ножетелки электрическое поле. Любой объект, оказавшийся в пределах этого поля и отличающийся своей электропроводностью от окружающей воды, искажает его. Множество электрорецепторов, находящихся в коже рыбы, улавливают это искажение и шлют о нем сигналы в мозг.

Для такой малюсенькой рыбешки, как ножетелка, дальность действия локатора достаточно велика. В период бодрствования ее хвостик на 1–3 см высовывается наружу и ведет караульную службу. Если на расстоянии 8–10 см от ее дома окажется червяк, рыбий малек или головастик, ножетелка мгновенно замечает, что появилась «дичь», и выскакивает из укрытия хвостом вперед. Затем, стремительно развернувшись, хватает добычу и скрывается в убежище, чтобы позавтракать.

Примерно также ведут себя и другие слабоэлектрические рыбы Америки. Гимноты, живущие на мелководье, пользуются убежищами в корнях и полых стеблях тростника. Червяка, оказавшегося в 5 см от укрытия, они замечают мгновенно, выскакивают хвостом вперед и тотчас хватают добычу. Кусочек пластмассовой пластинки, оказавшийся на таком же расстоянии, рыбка обнаружила через 2–3 секунды. Подплыв к пластинке, рыбка 1–2 минуты изучала ее при помощи хвоста, но до нее, естественно, не дотрагивалась, держа хвост в 1–2 см от исследуемого предмета.

Металлические пластинки способны привести рыбок в неистовство. Дело в том, что характер искажения электромагнитного поля металлом, прекрасно проводящим электричество, напоминает характер его искажения живыми объектами, однако по степени выраженности серьезно превосходят любое живое существо. Это, конечно, сбивает рыб с толку, вызывая недоумение. Ну как же тут не всполошиться?! Гимноты по 2–3 минуты то хвостом, то рылом обследовали пластинку и только после этого скрывались в убежище.

Встретившись со столь непонятным явлением, успокоиться не так — то просто. Рыбы обычно предпринимали от 7 до 12 попыток разобраться в загадочном предмете. В реках, еще не замусоренных людьми, рыбы пока не познакомились с металлами и даже не подозревают о существовании предметов, способных так сильно искажать электромагнитное поле. В конце концов гимноты атакуют непонятный предмет. Налетая на пластинку, рыбешка рылом подталкивает ее до тех пор, пока ей не удастся оттащить ее в сторону. Но даже после этого гимнотам требовалось еще 15–20 минут, чтобы окончательно успокоиться.

Средство общения

Электрические органы слабоэлектрических рыб имеют еще одно важное предназначение: они используются для общения. Электрический язык годится для любого диалога. С помощью электросигналов рыбы способны передавать друг другу сложную информацию. Слаженные действия большой стайки рыбьей мелюзги можно подсмотреть в любом водоеме. Сигнал на одновременный поворот всей стаи, видимо, дается с помощью электрических команд.

Электрические разряды используются рыбами для широковещательных объявлений своим соплеменникам о том, что участок занят и хозяин будет защищать свои владения. Ученые убедились в этом, записав разряды, производимые рассерженным нильским слоником, а затем «проиграли» ему эту запись. Эффект оказался потрясающим. Рыбка просто рассвирепела и с остервенением набросилась на источник электрических разрядов. Электрическими разрядами рыбы оповещают соседей о своем социальном статусе. Чем выше у гимнота частота электрических разрядов, тем большим уважением он пользуется среди своих соплеменников.

Электрические разряды генерируют не только те рыбы, у которых имеются для этого специальные электрические органы. Слабые высокочастотные разряды возникают у любых существ, совершающих быстрые энергичные движения: броски, развороты, открывание и захлопывание рта. Они возникают в работающих мышцах.

Мышцы хищных рыб, вроде щук или сомов, генерируют электроразряды длинными сериями, а у рыб, питающихся мелкими донными организмами и илом, при движении возникают короткие, серии или одиночные разряды. По электрическим разрядам этих рыб можно догадаться, опасное ли существо появилось в зоне восприятия электрорецепторов или нет.

Когда рыбы плывут дружной компанией, согласовывая свои движения, разряды их мышц суммируются и вокруг стаи формируется общее электрическое поле.

Автопилот

Электрорецепторы слабоэлектрических рыб могут заменить им компас. Зоологи давно задумывались над тем, как находят дорогу птицы, морские черепахи и рыбы, ежегодно совершающие дальние миграции. По этому во—, просу было высказано множество предположений. Некоторые ученые считают, что птицы и рыбы рождаются с заложенной в мозг географической картой Земли. Другие думают, что у них развито магнитное чувство, иными словами, имеется биологический компас. Ничего невероятного в подобных предположениях нет, однако точные доказательства (или опровержения) этих гипотез еще впереди. А вот изучение электрорецепции позволило, во всяком случае для рыб, доказать их способность ориентироваться по магнитному полю Земли.

Обитающий в Средней Азии туркестанский сомик, или звездочёт, лежащий на дне водоема, не ощущает магнитного поля Земли. Но стоит ему отправиться в путь, все меняется. Из курса физики вы знаете (или узнаете чуть позже), что электрический ток создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, способно вызывать возникновение электрического тока. Он возникает в любых замкнутых проводниках при пересечении ими магнитного поля. На этом основано устройство любых электрогенераторов.

Когда рыба движется в магнитном поле, в ее теле возникают концентрические индукционные токи. На них и у морских, и у пресноводных рыб реагируют ампулы Лоренцини, расположенные вертикально по отношению к поверхности тела рыбы. Следовательно, рыбы чувствительны не к самому магнитному полю, а лишь к его изменению. Величина индукционных токов зависит от того, под каким углом и с какой скоростью пересекаются силовые линии магнитного поля, что и позволяет рыбе прокладывать свой маршрут в океане с не меньшей точностью, чем мы это делаем по компасу.

Электрические рыбы открыты сравнительно недавно, а изучение их начато лишь в наши дни. Можно с уверенностью сказать, что в ближайшие годы ученые смогут узнать много нового о работе электрических органов и о поведении электрических рыб.