В теплых и тропических морях, в мутных реках Африки и Южной Америки живет несколько десятков видов рыб, способных временами или постоянно испускать электрические разряды разной силы. Своим электрическим током эти рыбы не только пользуются для защиты и нападения, но и сигнализируют им друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия (электролокация). Электрические органы встречаются только у рыб. У других животных эти органы пока не обнаружены.
Электрические рыбы существуют на Земле уже миллионы лет. Их остатки найдены в очень древних слоях земной коры - в силурийских и девонских отложениях. На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската торпедо. В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей-натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи древнего Рима держали этих скатов у себя в больших аквариумах. Они пытались использовать торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали. Даже в наше время на побережье Средиземного моря и атлантическом берегу Пиренейского полуострова пожилые люди бродят иногда босиком по мелководью, надеясь излечиться от ревматизма или подагры электричеством торпедо.
Электрический скат торпедо.
Очертания тела торпедо напоминают гитару длиной от 30 см до 1,5 м и даже до 2 м. Его кожа принимает цвет, сходный с окружающей средой (см. ст. «Окраска и подражание у животных»). Различные виды торпедо живут в прибрежных водах Средиземного и Красного морей, Индийского и Тихого океанов, у берегов Англии. В некоторых бухтах Португалии и Италии торпедо буквально кишат на песчаном дне.
Электрические разряды торпедо очень сильны. Если этот скат попадет в рыбачью сеть, его ток может пройти по влажным нитям сети и ударить рыбака. Электрические разряды защищают торпедо от хищников - акул и осьминогов - и помогают ему охотиться за мелкой рыбой, которую эти разряды парализуют или даже убивают. Электричество у торпедо вырабатывается в особых органах, своеобразных «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества. Столбики отделены друг от друга плотными перегородочками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний.
Скат дископиге глазчатый.
За несколько десятков секунд торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюхи к спине. Напряжение тока у разных видов скатов колеблется от 80 до 300 В при силе тока в 7-8 А. В наших морях живут несколько видов колючих скатов райя, среди них черноморский скат - морская лисица. Действие электрических органов у этих скатов гораздо слабее, чем у торпедо. Можно предполагать, что электрические органы служат райя для связи друг с другом, вроде «беспроволочного телеграфа».
В восточной части тихоокеанских тропических вод живет скат дископиге глазчатый. Он занимает как бы промежуточное положение между торпедо и колючими скатами. Питается скат мелкими рачками и легко их добывает, не применяя электрического тока. Его электрические разряды никого не могут убить и, вероятно, служат лишь для того, чтобы отгонять хищников.
Скат морская лисица.
Электрические органы есть не только у скатов. Тело африканского речного сома малаптеруруса обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома. Напряжение разрядов его достигает 360 В, оно опасно даже для человека и, конечно, гибельно для рыб.
Ученые установили, что африканская пресноводная рыба гимнархус всю жизнь непрерывно испускает слабые, но частые электрические сигналы. Ими гимнархус как бы прощупывает пространство вокруг себя. Он уверенно плавает в мутной воде среди водорослей и камней, не задевая телом ни за какие препятствия. Такой же способностью наделены африканская рыба мормирус и родственники электрического угря - южноамериканские гимноты.
Звездочет.
В Индийском, Тихом и Атлантическом океанах, в Средиземном и Черном морях живут небольшие рыбы, до 25 см, редко до 30 см длиной, - звездочеты. Обычно они лежат на прибрежном дне, подкарауливая проплывающую сверху добычу. Поэтому их глаза расположены на верхней стороне головы и смотрят вверх. Отсюда происходит название этих рыб. Некоторые виды звездочетов имеют электрические органы, которые находятся у них на темени, служат, вероятно, для сигнализации, хотя их действие ощутимо и для рыбаков. Тем не менее рыбаки беспрепятственно вылавливают немало звездочетов.
В южноамериканских тропических реках живет электрический угорь. Это серо-синяя змееобразная рыба длиной до 3 м. На долю головы и грудобрюшной части приходится лишь 1 / 5 ее тела. Вдоль остальных 4 / 5 тела с обеих сторон расположены сложные электрические органы. Они состоят из 6-7 тыс. пластинок, отделенных друг от друга тонкой оболочкой и изолированных прокладкой из студенистого вещества.
Пластинки образуют своего рода батарею, разряд которой направлен от хвоста к голове. Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Плохо приходится от угрей и людям, купающимся в реке: электрический орган угря развивает напряжение в несколько сотен вольт.
Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда он изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо. Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости.
Этим свойством можно воспользоваться. Разряжая в воду любой источник электричества, удается привлечь целое стадо угрей, надо только подобрать соответствующие напряжение тока и частоту разрядов. Мясо электрического угря в Южной Америке едят. Но ловить его опасно. Один из способов ловли рассчитан на то, что угорь, разрядивший свою батарею, надолго становится безопасен. Поэтому рыбаки поступают так: в реку загоняют стадо коров, угри нападают на них и расходуют свой запас электричества. Прогнав коров из реки, рыбаки бьют угрей острогами.
Подсчитано, что 10 тыс. угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезду пришлось бы стоять несколько суток, пока угри восстановили бы свой запас электрической энергии.
Исследования советских ученых показали, что многие из обычных, так называемых неэлектрических рыб, которые не имеют специальных электрических органов, все же в состоянии возбуждения способны создавать в воде слабые электрические разряды.
Эти разряды образуют вокруг тела рыб характерные биоэлектрические поля. Установлено, что слабые электрические поля есть у таких рыб, как речной окунь, щука, пескарь, вьюн, карась, красноперка, горбыль и др.
Происходят, например, во многих растениях. Но самым удивительным носителем этой способности являются электрические рыбы. Их дар вырабатывать разряды сильной мощности не доступен ни одному виду животных.
О том, что некоторые рыбы могут сильно «бить» затронувшего их человека или животное, знали еще древние жители морских побережий. Римляне считали, что в этот момент у обитателей глубин выделяется какой-то сильный яд, вследствие которого у жертвы наступает временный паралич. И только с развитием науки и техники стало понятно, что рыбам свойственно создавать электрические разряды разной силы.
Какая рыба - электрическая? Ученые утверждают, что эти способности свойственны почти всем представителям названного вида фауны, просто у большинства из них разряды небольшие, ощутимые только мощными чувствительными приборами. Используют они их для передачи сигналов друг другу - как средство общения. Сила излучаемых сигналов позволяет определить в рыбьей среде, кто есть кто, или, иными словами, выяснить силу своего противника.
Электрические рыбы используют свои особые органы для защиты от врагов, в качестве оружия поражения добычи, а также как локаторы-ориентиры.
Электрические явления в организме рыб заинтересовали ученых, занимающихся явлениями природной энергии. Первые эксперименты по изучению биологического электричества проводил Фарадей. Для своих опытов он использовал скатов как самых сильных производителей зарядов.
Одно, на чем сошлись все исследователи, что основная роль в электрогенезе принадлежит клеточным мембранам, которые способны раскладывать положительные и отрицательные ионы в клетках, в зависимости от возбуждения. Видоизмененные мышцы соединены между собой последовательно, это и есть так называемые электростанции, а соединительные ткани - проводники.
"Энергодобывающие" органы могут иметь самый различный вид и место размещения. Так, у скатов и угрей это почкообразные образования по бокам, у рыб-слонов - цилиндрические нити в районе хвоста.
Как уже было сказано, производить ток в том или ином масштабе свойственно многим представителям этого класса, но есть настоящие электрические рыбы, которые опасны не только для других животных, но и для человека.
Южноамериканский электрический угорь не имеет ничего общего с обычными угрями. Назван он так просто по внешнему сходству. Эта длинная, до 3 метров, змееобразная рыба весом до 40 кг способна генерировать разряд напряжением в 600 вольт! Тесное общение с такой рыбешкой может стоить жизни. Даже если сила тока не станет непосредственной причиной смерти, то к потере сознания приводит точно. А беспомощный человек может захлебнуться и утонуть.
Электрические угри живут в Амазонке, во многих неглубоких реках. Местное население, зная их способности, не заходит в воду. Электрическое поле, производимое рыбой-змеей, расходится в радиусе 3 метров. При этом угорь проявляет агрессию и может нападать без особой на то надобности. Наверное, он это делает с перепугу, так как основной рацион его составляет мелкая рыбешка. В этом плане живая «электроудочка» не знает никаких проблем: выпустил зарядик, и завтрак готов, обед и ужин заодно.
Электрические рыбы - скаты - объединяются в три семейства и насчитывают около сорока видов. Им свойственно не только вырабатывать электричество, но и аккумулировать его, чтобы использовать в дальнейшем по назначению.
Основная цель выстрелов - отпугивание врагов и добыча мелкой рыбешки для пропитания. Если скат выпустит за один раз весь свой накопленный заряд, его мощности хватит, чтобы убить или обездвижить крупное животное. Но такое происходит крайне редко, так как рыба - скат электрический - после полного «обесточивания» становится слабой и уязвимой, ей требуется время, чтобы снова накопить мощность. Так что свою систему энергоснабжения скаты строго контролируют с помощью одного из отделов мозга, который выполняет роль реле-выключателя.
Семейство гнюсовых, или электрических скатов, называют еще «торпедами». Самый крупный из них - обитатель Атлантического океана, черный торпедо (Torpedo nobiliana). Этот которые достигают в длину 180 см, вырабатывает самый сильный ток. И при близком контакте с ним человек может потерять сознание.
Скат Морсби и токийский торпедо (Torpedo tokionis) - самые глубоководные представители своего семейства. Их можно встретить на глубине 1 000 м. А самый маленький среди своих собратьев - индийский скат, его максимальная длина - всего 13 см. У берегов Новой Зеландии живет слепой скат - его глаза полностью спрятаны под слоем кожи.
В мутных водоемах тропической и субтропической Африки живут электрические рыбы - сомы. Это довольно крупные особи, от 1 до 3 м в длину. Сомы не любят быстрых течений, живут в уютных гнездах на дне водоемов. Электрические органы, которые расположены по бокам рыбы, способны производить напряжение в 350 В.
Малоподвижный и апатичный сом не любит уплывать далеко от своего жилища, выползает из него для охоты по ночам, но также и непрошеных гостей не любит. Встречает он их легкими электрическими волнами, ими же и добывает себе добычу. Разряды помогают сому не только охотиться, но и ориентироваться в темной мутной воде. Мясо электрического сома считается деликатесом у местного африканского населения.
Еще один африканский электрический представитель царства рыб - нильский гимнарх, или аба-аба. Его изображали на своих фресках фараоны. Обитает он не только в Ниле, но в водах Конго, Нигера и некоторых озер. Это красивая «стильная» рыбка с длинным изящным телом, длиной от сорока сантиметров до полутора метров. Нижние плавники отсутствуют, зато один верхний тянется вдоль всего тела. Под ним и находится «батарейка», которая производит электромагнитные волны силой 25 В практически постоянно. Голова гимнарха несет положительный заряд, а хвост - отрицательный.
Свои электрические способности гимнархи используют не только для поиска пищи и локации, но и в брачных играх. Кстати, самцы гимнархов просто потрясающе фанатичные отцы. Они не отходят от кладки икринок. И стоит только приблизится кому-то к детям, папа так окатит нарушителя электрошокером, что мало не покажется.
Гимнархи очень симпатичны - их вытянутая, похожая на дракончика, мордочка и хитрые глазки снискали любовь среди аквариумистов. Правда, симпатяга довольно агрессивен. Из нескольких мальков, поселенных в аквариум, в живых останется только один.
Большие выпуклые глаза, вечно приоткрытый рот, обрамленный бахромой, выдвинутая челюсть делают рыбу похожей на вечно недовольную сварливую старуху. Как называется электрическая рыба с таким портретом? семейства звездочетов. Сравнение с коровой навевают два рожка на голове.
Эта неприятная особь большую часть времени проводит, зарывшись в песок и подстерегая проплывающую мимо добычу. Враг не пройдет: корова вооружена, как говорится, до зубов. Первая линия нападения - длинный красный язычок-червячок, которым звездочет заманивает наивных рыбок и ловит их, даже не вылезая из укрытия. Но если надо, то она взметнется мгновенно и оглушит жертву до потери сознания. Второе оружие для собственной защиты - позади глаз и над плавниками расположены ядовитые шипы. И это еще не все! Третье мощное орудие расположено сзади головы - электрические органы, которые генерируют заряды напряжением в 50 В.
Вышеописанные - это не единственные электрические рыбы. Названия не перечисленных нами звучат так: гнатонем Петерса, черная ножетелка, мормиры, диплобатисы. Как видите, их немало. Наука сделала большой шаг вперед в изучении этой странной способности некоторых рыб, но разгадать полностью механизм аккумуляции электроэнергии большой мощности полностью не удалось и до нынешнего времени.
Официальная медицина не подтвердила обладание электромагнитного поля рыб целебным эффектом. Но медицина народная издавна использует электрические волны скатов для излечения многих болезней ревматического характера. Для этого люди специально прогуливаются вблизи и получают слабые разряды. Вот такой себе натуральный электрофорез.
Электрических сомов жители Африки и Египта используют для лечения тяжелой стадии лихорадки. Для повышения иммунитета у детей и укрепления обшего состояния экваториальные жители заставляют тех прикасатся к сомам, а также поят водой, в которой некоторое время плавала эта рыба.
Идеи различных изобретений человек, как правило, находил в окружающей его природе. Так, в первых проектах летательных аппаратов копировалось крыло птицы или летучей мыши. К изобретению самозатачивающихся инструментов привело исследование зубов грызунов. Создаются искусственные покрытия для подводных лодок, копирующие кожу дельфина, которая позволяет ему передвигаться в воде с большой скоростью при относительно небольших мышечных усилиях.
Помимо копирования биологического прототипа при конструировании различных систем возможно (и, видимо, наиболее целесообразно) использование самого принципа действия, разработанного природой в процессе эволюции. Работы в этом направлении привели к возникновению одной из самых молодых наук - бионики, в настоящее время быстро развивающейся.
Бионика - это наука о системах, копирующих функции живых организмов, о системах, которым присущи специфические характеристики природных систем или которые являются их аналогами. На практике бионика - это наука об использовании знаний о живых системах при решении тех или иных технических проблем.
Особенности реакций рыб на различные поля электрического тока послужили основой для разработки различных устройств, управляющих поведением рыб. Еще в 1919 г. ученые высказали мысль, что лов рыбы с применением электричества открывает широкие перспективы в ведении прудового хозяйства. Вначале использовалось лишь оглушающее действие электрического тока. В дальнейшем стали применяться агрегаты, привлекающие или отпугивающие рыбу благодаря создаваемым в воде электрическим полям различных параметров.
В настоящее время такие агрегаты с успехом используются на практике в пресноводных водоемах: реках, прудах, озерах, водохранилищах. Один из способов электролова - оснащение обычных сетных орудий лова (например, тралов) электродами, привлекающими рыбу в зону действия орудия. Так работают, например, отечественные электротраловые суда ПЭТС-150Б, ведущие лов на Рыбинском и Цимлянском водохранилищах с 1965 г. Во внутренних водоемах ГДР с 1967 г. применяется электрифицированный трал, в основном предназначенный для лова угря.
Кроме электролова с использованием различных сетей, существует так называемый бессетевой электродов, основанный на использовании анодной реакции рыб для их привлечения, концентрации, частичного обездвиживания в результате электронаркоза. Рыба извлекается из воды с помощью механического устройства или рыбонасоса. Таким образом работает, например, отечественная установка ЭЛУ-1 для электролова, размещаемая на двух лодках. С помощью специальной аппаратуры вырабатывается постоянный ток напряжением до 520 В, который поступает на систему электродов (анод и катод), подвешенную в воде. Привлеченную током рыбу выбирают сачками.
Аналогичная установка ЭЛУ-2 отличается тем, что работает на постоянном импульсном токе и может использоваться в водоемах с более широким диапазоном электропроводности воды. Бессетевой электродов рыбы с помощью рыбонасосов впервые был применен на лове камчатских лососевых на реках Озерной и Явиной.
В СССР применяется также батарейный агрегат "Пеликан", предназначенный для лова рыбы, сконцентрированной на глубине 1,5-2 м; его производительность - более 1-2 ц рыбы в час. Аналогичные агрегаты разработаны и в других странах.
В рыбном хозяйстве применяются и так называемые электрозаградители, отпугивающие или останавливающие рыбу. С помощью таких установок рыбу заставляют двигаться в определенном направлении. В этом случае электрическое поле, как правило, неподвижно и расположено поперек движения реки. Рыба, оказавшаяся в зоне действия поля, останавливается или уплывает обратно.
Устройство, создающее электрическое поле для отпугивания акул, разработано в США. Прибор устанавливается на траулере и ежесекундно излучает мощные импульсы длительностью 10 м/с через два буксируемых электрода. Малогабаритная модификация этого прибора, собранного на транзисторах, используется водолазами (электроды помещаются в скафандр). Источником тока в нем служат обычные сухие батареи, емкость которых рассчитана на 8-10 ч работы. Эксперименты показали, что акулы не приближаются к водолазу, снабженному подобным прибором, ближе, чем на 2 м. Прибор собрал на транзисторах и заключен в водонепроницаемый корпус из эпоксидной смолы.
Сотрудниками Государственного научно-исследовательского института озерного и речного хозяйства (ГосНИОРХ) разработана электрорыбозаградительная установка, предназначенная для отпугивания рыбы от гидротехнических сооружений: турбин гидростанций, оросительных каналов, в которых рыбы травмируются и гибнут. Установка состоит из большого количества электродов - стальных труб, забитых в грунт. На электроды поступает прерывистый переменный ток.
По такому же принципу работают электрогоны, используемые при лове рыбы. В качестве примера рассмотрим электрогон типа ЭРГ 1/8-4. Он представляет собой однородную систему электродов, поддерживаемых на плаву полиэтиленовыми поплавками. На тележке, движущейся вдоль берега реки, установлен бензиновый двигатель с генератором мощностью 4 кВт, вырабатывающим ток напряжением 230 В. Через преобразователь и трансформатор ток по кабелю длиной 100 м поступает на электроды. Рыбаки, находящиеся по обоим берегам, тянут систему электродов вдоль реки, сгоняя рыбу в невод, установленный ниже по течению. Такой электрогон применяют на водоемах шириной до 50 м и глубиной до 2 м.
Методы лова, основанные на использовании электрических полей, имеют следующие преимущества: они универсальны (их можно применять для лова различных видов рыб с помощью разнообразных орудий лова) и эффективны (обеспечивают избирательность вылавливаемых рыб по виду и размеру, позволяют автоматизировать процессы лова).
Однако электродов в морских условиях находится пока еще в стадии экспериментов. Это вызвано большим расходом энергии даже при использовании полей импульсного тока. Тем не менее электролов морских рыб весьма перспективен, и в данном направлении ведутся многочисленные исследования и разработки. Так, в ГДР создана установка для электролова рыбы в море. Основа установки - импульсный генератор, вырабатывающий электрические импульсы; определены форма и частота, необходимые в различных условиях лова. Они подаются по кабелю на электроды, которыми оснащен трал, и создают электрическое поле. Действие поля распространяется на рыбу, находящуюся в его зоне, и препятствует ее уходу из орудия лова. Мощность импульсного генератора 75 кВт. В зависимости от напряжения электрическое поле может вызывать у рыб реакцию отпугивания или наркоза и даже гибель от шока. Эта установка позволяет вести лов на глубинах до 700 м. Уловы океанских траулеров ГДР, оснащенных такими установками, увеличились в среднем на 30%.
В СССР первые практические результаты бессетевого электролова с помощью рыбонасоса в морских условиях были получены в 1963 г. при ловле сайры. Рыбу сначала привлекали на свет. Затем создавали поле постоянного тока: катодом служил корпус судна, а анодом, к которому сайра подходила в результате анодной реакции,- всасывающие устройства рыбонасоса (рис. 18).
Основные препятствия на пути промышленного освоения такого способа лова - малая зона, в которой можно вызывать у рыб анодную реакцию. Опыты в этом направлении продолжаются, и установки бессетевого лова совершенствуются. Было, например, применено комбинированное воздействие на рыб полей импульсного и переменного непрерывного токов.
В 1971 г. на судне ГДР "Айсберг" специалисты ГДР и СССР проводили испытания устройства для электролова, в котором рыбонасос использовался совместно с сетным мешком (рис. 19). Это позволило вести лов на различных глубинах и отказаться от громоздких шлангов рыбонасоса.
Широкое промышленное внедрение различных способов электролова в море станет возможным в ближайшие годы.
Большое практическое значение имеет сопоставление биологических систем электролова, используемых электрическими рыбами, с существующими в настоящее время аппаратами промышленного электролова промысловых рыб. Приемы лова, используемые сильноэлектрическими рыбами, характер образуемых или импульсов и полей отработаны в процессе эволюции и, по-видимому, являются оптимальными. Отличие действия электрических полей рыб по сравнению с полями агрегатов, созданных человеком, заключается в следующем. Все электроловильные агрегаты характеризуются пассивным режимом работы, т. е. параметры образуемых ими электрических полей неизменны. Однако чувствительность рыб разных видов к электрическому току и их реакции на действие электрических полей различны. Разнообразны также результаты воздействия одного и того же электрического поля на рыб определенного вида, но разных размеров. Воздействие на рыб электрических полей зависит, как уже говорилось, от температуры воды, ее электропроводности, содержания кислорода, времени года, физиологического состояния, а также от характера электрического поля.
Таким образом, на поведение рыб при действии на них электрических полей влияют многочисленные факторы, которые в процессе лова могут изменяться. Между тем это не учитывалось при разработке существующих генераторов для электролова рыб. В этом отношении природа пока опережает человека. Электрические рыбы, использующие свои электрические поля для тех же целей, "работают" качественно иным образом - в активном режиме.
Все сильноэлектрические рыбы устанавливают активный контакт со своей жертвой (или врагом). Этот контакт осуществляется с помощью различных механизмов; зрения, слуха, осязания на расстоянии (использование органов боковой линии), а также пассивного или активного (локационного) электрического чувства. Электрические рыбы - угорь, сом, скаты, некоторые звездочеты - на расстоянии следят за поведением своих жертв или врагов и, оценив их и свои возможности, применяют биоэлектрические поля определенной мощности, конфигурации и периодичности излучения. В результате достигаемый эффект бывает, как правило, оптимален. Так, сом, не имеющий электролокационной системы, оценивает свою жертву, активно двигаясь и излучая сильные электрические разряды. Разряды стимулируют жертву, заставляя ее активно двигаться и создавать потоки воды, благодаря чему сом получает информацию о жертве с помощью органов чувств боковой линии. В соответствии с размером жертвы он использует разряды определенного характера.
Таким образом, основное принципиальное отличие искусственных систем электролова от природных - отсутствие контроля над состоянием и поведением объекта лова и управления работой электрогенератора. Иными словами, отсутствуют обратная связь и система управления по заданной программе. Кибернетический подход при разработке электрических устройств для привлечения или отпугивания рыб, несомненно, перспективен. Такие устройства позволят вылавливать рыбу определенного вида и не травмировать других рыб.
Другое преимущество природных приемов лова и отпугивания рыб, основанных на применении электрических полей, состоит в том, что электрические рыбы, как правило, используют комбинации сигналов разной модальности. Параллельно с генерированием электрических полей определенного характера они излучают электрические поля иных параметров, звуки, оптические сигналы, а также используют побочные действия электрического тока (гидродинамические возмущения, обогащение воды кислородом). Угорь, например, во время охоты часто комбинирует постоянное и импульсные поля. В заморных водоемах его разряды обогащают воду кислородом, который и привлекает к угрю мелких рыб и лягушек. Американский звездочет подманивает жертву, периодически выбрасывая красный язычок, похожий на червяка. Хищник оглушает электрическим разрядом подплывающих рыб и захватывает их.
Электрический сом в оборонительных ситуациях совместно с электрическими разрядами испускает характерные резкие шипящие звуки. Такие звуки, хорошо распространяющиеся в воде, усиливают действие электрических полей (безусловнорефлекторный раздражитель) и приобретают значение сигнала предупреждения (условнорефлекторная реакция). Воздействие электрических пульсирующих полей, сопровождающихся акустической пульсацией такой же частоты, может привести верховку в шоковое состояние (электронаркоз), хотя напряженность этих полей недостаточна для достижения подобного результата.
Эффективность воздействия на рыб электрических полей в комбинации с другими сигналами очевидна. Между тем в практике рыбного хозяйства разработки устройств, основанных на комплексном действии различных сигналов, только начинаются. Так, при разработке некоторых приемов бессетевого лова электрические поля удачно комбинируются со светом.
В Мексиканском заливе была испытана система, которая состояла из стоящей на якоре платформы, окруженной большим количеством пластиковых плотов, напоминающих по форме палатки. Известно, что в дневное время некоторые виды рыб ищут затемненные места, где чувствуют себя в большей безопасности, и собираются под плавающими на поверхности воды предметами. В данном случае рыбы днем собирались под плотами, а с наступлением темноты свет электрических ламп привлекал их к центральной платформе, где под воздействием электрического поля они сразу же попадали в зону всасывания рыбонасоса.
Для отпугивания рыб от плотин эффективно применение электрических полей в сочетании со звуковыми сигналами. В спортивном рыболовстве возможно применение электрических удочек, привлекающих рыбу с помощью двух различных раздражителей: обычной, "зрительной", приманки и электрического поля, вызывающего у рыб анодную реакцию - стремление приблизиться к положительному электроду.
Таким образом, одно из перспективных направлений при разработке новых приемов использования электрических полей в рыбном хозяйстве - комбинирование их с другими сигналами.
Большой интерес для электробиологии представляет сопоставление полей, используемых электрическими рыбами для лова и обороны, с полями, применяемыми в практике рыболовства. Все рыбы и в пресной и в морской воде создают импульсные электрические поля: в морской воде, в связи с ее большей проводимостью, они характеризуются невысокой напряженностью и значительной плотностью тока, в пресных водоемах имеют высокую напряженность и малую плотность тока. Электрические поля постоянного тока рыбы не применяют, по-видимому, из-за большого расхода энергии для их генерации.
Каковы характеристики импульсных электрических полей рыб и их отличие от полей, разработанных экспериментально и применяемых в практике рыболовства?
Относительно действия на рыб искусственных импульсных электрических полей существуют различные, иногда противоречивые мнения. Большинство исследователей, сопоставляя действие импульсных и постоянных или переменных полей, утверждают, что импульсные поля обычно не возбуждают у рыб анодной реакции, а лишь отпугивают их. Однако электрические рыбы, используя импульсные поля, фактически управляют поведением своих жертв или врагов, заставляя их двигаться к себе или спасаться бегством. Характерно, что импульсные поля, применяемые всеми электрическими рыбами для привлечения жертв и обороны, различны.
Так, охотничьи разряды сома состоят из гораздо большего количества импульсов, чем для обороны. Если оборонные включают 3-67 импульсов, то охотничьи - 14- 462 импульсов (в среднем меньше 300). Другая отличительная особенность - различие в характере изменения частоты их следования. В оборонных разрядах частота следования импульсов снижается резко быстро, в охотничьих - медленно, постепенно.
Длительность и число импульсов в охотничьих разрядах связаны с соотношением размеров сома и его жертвы. При захвате и заглатывании мелких объектов разряды относительно коротки - в среднем 71,2 импульса. Сом длиной 16 см при захвате рыбы размером 5,5 см (менее 30% длины сома) генерирует до 297 импульсов (при средней продолжительности разряда 4,8 с). В технике электролова, основанного на импульсных полях постоянного тока, количеству импульсов, обеспечивающих анодные реакции, придается большое значение.
По мнению некоторых ученых, от числа импульсов зависит эффект привлечения, отпугивания или оглушения рыбы. Исследования показали, что для каждого вида (и размера) рыб в привлекающем или отпугивающем их электрическом разряде существует оптимальное количество импульсов. В процессе охоты частота следования импульсов у сома меняется. Она увеличивается или уменьшается в зависимости от поведения и состояния жертвы. В самом начале частота следования импульсов достигает максимальной величины (до 150 импульсов з секунду при температуре 28°), а в конце она падает. Но снижение частоты в зависимости от поведения объекта может смениться повторным и даже многократным ее возрастанием. Амплитуда разрядов и импульсов сома относительно невелика (180-360 В). У сома длиной 21 см средняя мощность разряда обычно составляет 8 Вт, а максимальная мощность каждого импульса - 32 Вт.
Ученые, исследовавшие действие на рыб сильных электрических полей, установили, что анодная реакция проявляется у них при определенных значениях как частоты импульсов, так и напряжения. Для пресноводных рыб длиной от 6 до 27 см критические значения частоты следования импульсов, вызывающих анодную реакцию, составляют 30-100 импульсов в секунду. Разряды с более высокой частотой импульсов при тех же величинах амплитуды вызывают у рыб электронаркоз. Таким же образом влияет на рыб и увеличение амплитуды (напряжения) импульсов.
Токи, используемые при электролове пресноводных рыб, обычно достигают напряжения 800 В при мощности импульсов 80-400 Вт. Поэтому естественно, что электрические агрегаты, работающие в постоянном режиме (при неизменной частоте и напряжении импульсов), создают не только зону привлечения (вдали от электродов), но и зону наркоза вблизи электродов, в которой рыба впадает в шок и гибнет. Именно в связи с этим применение существующих агрегатов для лова рыбы наносит существенный ущерб рыбному хозяйству.
Импульсы же, используемые для охоты электрическими рыбами (угрем, сомами и др.), имеют характерную форму и продолжительность. Как правило, это импульсы с крутым фронтом нарастания тока и постепенным его снижением. Другими словами, в начале импульса напряжение быстро повышается, а затем постепенно снижается. У электрического угря такие импульсы имеют пилообразную форму (см. рис. 4), у электрического сома форма импульсов сходна с формой нервно-мышечных импульсов (см. рис. 5).
Импульс электрического сома длиной 15,5 см имеет длительность, равную 1,88 мс. Резкое возрастание амплитуды длится 0,66 мс, а постепенное снижение - 1,22 мс.
Целесообразно сопоставить форму и продолжительность импульсов электрических рыб с аналогичными характеристиками оптимально действующих импульсов, полученных в опытах по действию на рыб искусственных электрических полей. Оказывается, что наиболее эффективно на рыб действуют именно импульсы с крутым фронтом нарастания тока и постепенным его снижением при продолжительности импульса 1-1,5 мс. Это же подтверждают некоторые ученые, исходя из представлений физиологии нервно-мышечной системы.
Экспериментально установлено, что при малых значениях продолжительности импульсов (менее 1 мс) наименьшее напряжение, при котором у рыб появляется первичная реакция, требуется при использовании импульсов прямоугольной формы. Почему же импульсы некоторых электрических рыб "неоптимальны"? Ответ довольно прост. Для генерации прямоугольных импульсов (продолжительностью менее 1 мс) требуется больший расход мощности, чем для импульсов, используемых электрическими рыбами.
Таким образом, работа природных систем электролова и работа промышленных электроагрегатов по принципу действия различны, хотя форма импульсов электрических рыб близка к применяемой в промысле. Природные основаны на комплексном действии сигналов; промышленные, как правило,- на использовании только электрического поля. Первые характеризуются активным режимом, вторые - пассивным. Импульсы рыб, используемые при охоте, отличаются от искусственных большей длительностью, большей частотой следования и сравнительно малой мощностью. При этом надо иметь в виду, что создаваемые рыбами электрические поля невелики. Очевидно, что принципы действия природных систем электролова рыб более эффективны, чем используемые в промышленном рыболовстве, и это необходимо учитывать при разработке и совершенствовании электроловильных установок.
Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации и связи рыб. Передача сигналов в воде с помощью электрических полей имеет большое преимущество, так как радиоволны в водной среде практически не распространяются, а недостатком акустической локации и связи является высокий уровень фоновых шумовых помех. Как известно, пока электрической связи в подводной технике не существует. В настоящее время как в Советском Союзе, так и за рубежом ведутся серьезные работы по созданию подобной аппаратуры. Проведенное советскими исследователями неполное техническое моделирование электрической системы связи рыб уже привело к разработке устройства, позволяющего осуществлять передачу информации из воды в воздух. Дальнейшие работы в этой области будут иметь огромное значение для развития техники подводной связи, столь необходимой, например, в океанологии и рыбном хозяйстве.
Электрические животные – это исключительно рыбы. У них есть способность создавать и использовать мощные электрические разряды для нападения и обороны, у других классов позвоночных такой способности нет. Этот уникальный дар позволяет их обладателям и ориентироваться в окружающем водном пространстве, и общаться с другими особями своего вида. Но не все электрические рыбы генерируют действительно мощные разряды. Это свойственно только некоторым из них, например, является самым сильным электрогенератором среди рыб, создающий разряды напряжением до 600 вольт и больше.
Электрический угорь – сильно-электрическая рыба.
Рыбы, способные создавать электрические импульсы иногда называются электрогенными. По способности к электрогенерации выделяют три главные категории рыб:
К этой категории относится не очень много видов. Все они создают разряды, представляющие опасность для человека и крупных животных, находящихся в воде. Их можно встретить и в пресных водоёмах, и в морской воде. В заболоченных местах бассейна Амазонки в Южной Америке живёт электрический угорь, которого очень боятся аборигенные жители. Ведь именно он вырабатывает электрический ток наибольшей мощности (до 650 В). Водоёмы тропических и субтропических районов Африки являются местом обитания электрического сома, взрослые особи которого способны создавать отдельные импульсы до 250 вольт.
В море в прибрежных частях Атлантического океана вдоль побережий Африки и на север до юга Великобритании электрогенной рыбой является . Он является источником электрических импульсов мощностью до 220-ти вольт, которые очень ощутимы для человека.
Все электрические рыбы из этой категории имеют большие электрические органы, вес которых составляет до одной трети от общей массы тела.
Электрические разряды слабоэлектрических рыб настолько слабые, что не могут навредить жертве. Поэтому они генерируются не для умерщвления или обездвиживания добычи, а только с целью её найти. Другой целью является обнаружение препятствий и других объектов в окружающем водном пространстве – для ориентирования. Электрические сигналы служат и способом общения для особей одного вида.
Очень слабые электрические разряды исходят от всех морских организмов, что является результатом сокращения их мышц. Но улавливать эти разряды могут только рыбы, которых называют электрическими.
Есть две группы таких рыб:
1 — обладающие способностью только обнаружить электрические поля других живых существ в воде: это пассивная электролокация;
2 – умеющие улавливать электрические сигналы от других организмов и создавать собственные: активная электролокация;
Многим рыбам пассивная электролокация очень помогает во время охоты. Наиболее известны акулы и скаты. Например, имеет на морде очень много электросенсорных зон, благодаря которым она чувствует электрические поля зарывшейся в песок добычи и сразу определяет её местонахождение. Никаких шансом спастись у потенциальной жертвы нет. Такие же свойства присущи и американской куньей акуле. По результатам научных экспериментов с синими акулами стало ясно, что эти хищницы атакуют предпочтительно добычу, имитация которой создавалась электрическими полями. Добыча, имитируемая в эксперименте запахами, атаковалась реже.
Преимущества такой электролокационной охоты очевидны: благодаря ей электрические рыбы выживают за счёт хорошо маскирующихся жертв, которых другим способом обнаружить нельзя. Например, акула-молот так находит свою еду в мягком грунте.
Акула-молот – категория воспринимающих электрических рыб.
Принцип активной электролокации у рыб очень похож на эхолокацию, которой пользуются летучие мыши. Посылаемые в окружающее водное пространство электрические сигналы встречают на своём пути какие-либо объекты. Встреченный объект искажает электрическое поле, созданное рыбой, и она фиксирует это искажение, используя электрорецепторы на поверхности своей кожи. Так определяется местонахождение объекта и его габариты, и также электрические свойства. При помощи такой электролокации электрогенная рыба может получать очень разную информацию об окружающих объектах. Например, для слабоэлектрической отмечена способность отличать живой материал от неживого. Эти рыбки живут в мутных слабо освещённых водоёмах, и электролокация является лучшим способом ориентироваться в таких условиях. Электрический орган, создающий необходимые для этого электрические импульсы небольшой мощности, располагается в области хвостового стебля.
Рыба-слон – слабо-электрическая рыба.
Электрические импульсы генерируются рыбами для достижения разных целей, для каждой из которых создаются разные сигналы:
Для общения генерируются сигналы с определёнными характеристиками. Это происходит постоянно, и от электрической рыбы идёт поток информации: видовая принадлежность генерирующей его особи, её готовности или не готовность к размножению, какова степень агрессивности. Если в стае данного вида существует внутривидовая иерархия, то сигнал даёт понимание социального статуса особи, отправившей его.
Изучение «рыбьего языка» очень сложный процесс, хотя учёные достигли определённых результатов и получили много интересной информации.
Часто можно слышать утверждение, что первый, кто приступил к объединению полей (электрического, магнитного и светового), был Максвелл, при этом, по-видимому, забывают Фарадея, решающими усилиями которого удалось объединить атмосферное, химическое, магнитное, вольтово, обыкновенное, животное, термо- и трибоэлектричество в единое поле - электрическое. Любопытный эпизод из истории этого объединения воспринимается с позиции сегодняшних знаний как "чудачество" великих. Путешествуя по Европе, 28-летний Фарадей со своим знаменитым учителем Деви оказался в Генуе. После ознакомления со старинными крепостями, они заинтересовались рыбаками, разгружавшими обильный улов рыбы. Их внимание привлекли электрические скаты, с помощью которых они тут же попытались разложить воду на водород и кислород. Если животное электричество производит такое же действие, как и другие электрические силы, то значит природа их одна и та же. К сожалению, опыт не удался - скаты ни за что не хотели выстраиваться в батареи и по команде разряжаться.
В наше время все-таки научились управлять разрядами электрических рыб по желанию экспериментатора, выдрессировав их по классическому методу образования условных рефлексов. Для дрессировки, например, африканского электрического сома потребовалось три месяца.
Способность некоторых рыб на расстоянии поражать и "гипнотизировать" свою жертву была известна еще древним грекам. "Эта рыба, - писал Аристотель, имея ввиду таинственного ската Torpedo, обитающего у берегов Средиземного моря, - заставляет цепенеть животных, которых она хочет поймать, пересиливая их силой удара, живущего у нее в теле". Кстати, предсказанная легендарным слепым прорицателем Тиресием смерть Одиссея ("смерть настигнет тебя вне моря и из моря") наступила от раны копьем, имевшим наконечник из плавника ската.
Но древним удавалось добиваться и положительных результатов по использованию животного электричества в практических целях. Достоверно известно, что врач императора Нерона лечил его от ревматизма электрическим массажем и электрованнами следующим образом: в большую деревянную кадку пускали электрических скатов, производящих электрические разряды. Такую электрическую ванну и принимал император. Надо полагать, лечение было успешным, поскольку ни Тацит, ни Светоний - летописцы древнего Рима - ничего не рассказывают о казни этого врача - участи, ожидавшей каждого, кто причинил хоть малейшее страдание великому деспоту.
Способность живых тканей генерировать электричество не является исключительной привилегией рыб. Электричество вырабатывают нервные, мышечные и железистые ткани любых живых существ. Поэтому не удивительно, что именно излучение электрических явлений в живых тканях и открыло эру электричества.
С помощью специальных зондов удалось зарегистрировать электрические поля вокруг нервов, мышц и сердца лягушки. Уверенно прослеживается поле человека на расстоянии 10 - 25 см от его поверхности. Зафиксировано даже электрическое поле шмеля во время его полета. Но наибольшей способностью генерировать и использовать электричество природа наделила некоторых рыб. О них в дальнейшем и пойдет речь.
Многие виды рыб обладают свойством не только поражать жертву Jims, спасаться от хищника, но и воспринимать окружающий мир с помощью электрических полей. Хотя электрический мир ощущений, присущий рыбам, нам не доступен, но познавательное значение этой проблемы несомненно. Смоделировать электрические органы чувств - весьма заманчивая задача. К сожалению, физика процессов в электрическом мире рыб почти не исследовалась. Остается довольствоваться пока сведениями, полученными в области физиологии и электробиологии.
Из 20 тысяч видов рыб около 800 из них способны генерировать электричество, однако целенаправленное его использование известно лишь для нескольких десятков видов рыб. В соответствии с различным назначением электрических органов электрические рыбы подразделяются на сильноэлектрические, использующие электричество с целью нападения и обороны, и слабоэлектрические, приспособившие электрические поля для локации и связи. Сильноэлектрические рыбы генерируют резкие кратковременные разряды, мощность которых в импульсе может достигать 0,6 кВт, а амплитудное напряжение - 1200 В (электрический угорь) при силе тока до 1,2 А. Создаваемое ими мощное электрическое поле простирается на расстояние до 5 м. Пораженную электрическим ударом рыбу-жертву словно сводит судорога: она, изогнувшись, цепенеет, растопырив плавники и жаберные крышки. Парализованными оказываются и мелкие животные, например, лягушка, попавшая в зону электрического разряда. Встревоженный раздражителями любой физической природы, угорь "разряжается" серией следующих друг за другом мощных импульсов, способных не только убить мелких животных, но даже напугать или контузить крупных, в том числе и человека. Поэтому аборигены, обитающие в поймах южноамериканских рек, переходя реку вброд, гонят перед собой крупный рогатый скот или лошадей, нейтрализуя таким образом боеспособность в изобилии водящихся там электрических угрей.
Упоминавшиеся выше электрические скаты из рода Torpedo способны развивать мощность в импульсе до б кВт (Torpedo accident alia), величина тока разряда может достигать у них 50 А. Структура разрядов достаточно сложна. Каждый разряд распадается на серии, продолжительность и последовательность которых обусловлена степенью возбуждения. В серии можно насчитать до 150 залпов в секунду, в свою очередь залп - последовательность импульсов (от 2 до 10), продолжительность импульса в залпе от 3 до 5 мсек. Количество импульсов в залпе зависит от размера жертвы или степени возбуждения.
Электролокационные свойства слабо электрических рыб также не вышли еще за пределы феноменологического описания. Генерируя электрические импульсы, рыбы создают в пространстве поле, топография которого зависит не только от размеров рыб и их электрических органов, но и от проводимости воды и диэлектрических свойств погруженных в нее объектов. Но как осуществляется высокая разрешающая способность электролокации рыб, каким образом они отфильтровывают полезные сигналы от шумовых - совершенно не ясно.
Весьма любопытно, что даже такие обыкновенные для наших краев рыбы как караси и пескари, чувствуют электрическое поле и, более того, излучают электрические сигналы, хотя и довольно слабые. Обнаружены и чувствительные органы, воспринимающие электрическое поле: они расположены в системе органов чувств боковой линии. Некоторые из них, так называемые ампулы Лоренцини, представляют собой длинные трубочки, заполненные желеобразным веществом, внутри которых и находятся клетки с нервными окончаниями. Экспериментально установлено, что рыбы не только не хуже, а некоторые и лучше самых чувствительных приборов, созданных до сих пор человеком, регистрируют малейшее изменение напряженности электрического поля. Но и это не все. Они чувствуют и магнитное поле!
Однако, разделение электрических рыб на сильно- и слабо электрические, конечно же условно. Часть из них, как например, черный нож - призрак, обитающий в бассейне реки Амазонки, способен не только глушить свою добычу электрическими разрядами подобно скатам, но и обладает электрической эхолокационной системой, позволяющей производить "обзор" окружающего пространства. Он испускает каскад очень слабых разрядов с частотой до одного килогерца. Отраженные от цели импульсы улавливаются специальными рецепторными клетками, связанными нервными волокнами с мозгом. Как удается ему регистрировать слабые эхосигналы на фоне сильных излучаемых сигналов - остается загадкой.
Небезынтересен коллективный эффект рыб, объединенных в стаи. Слабые электрические поля отдельных рыб обусловливают довольно сильное результирующее поле ориентированной стаи, которое, в свою очередь, может координировать движение отдельных особей. С помощью электрических сигналов рыбы общаются между собой. Они, как по команде, почти одновременно совершают различные маневры (поворот, ускорение или за-медление движения, погружение или всплывание), ищут корм и добычу, метят свою территорию, привлекают к себе особей другого пола.
Знаменитый физик XX века, лауреат Нобелевской премии Р.Фрейман утверждал что «практически нет ни одного явления в природе, которое не сопровождалось бы электричеством». И живая и неживая природа это единый мир бытия. Не только астрофизические объекты, но и мы с вами, и все летающие, и плавающие и ползающие - своеобразные генераторы электричества. Поэтому было бы очень странно, если бы природа не воспользовалась представившейся ей возможностью использовать электрические и магнитные поля как носители информации.
По воспоминаниям другого лауреата Нобелевской премии П.Л. Капицы, в 40-е годы академик Иоффе довольно успешно занимался «осуществлением оригинальной конструкции электростатического генератора», который по своему устройству и надежности превосходил электромагнитные. Тогда-то у Иоффе и возникла идея перевести энергетику страны на их основу. Главным соображением в пользу выдвинутой им идеи было то, что электростатические генераторы не только проще по своей конструкции, но могут сами непосредственно вырабатывать ток высокого напряжения для линий электропередач без промежуточных трансформаторных станций. Л.П.Капице пришлось опровергать осуществимость такого проекта из-за малой плотности потока преобразуемой энергии в таких генераторах.
А вот для царства электрических рыб этот критерий (вектор Умова-Пойнтинга) - не помеха для использования электростатических генераторов. Природа снабдила их источниками электрического напряжения, которые пока надежно скрывают свои многочисленные секреты от людей.
