Com utilitzen els taurons la llei i la teoria de probabilitats d'Ohm

El 1951, el científic anglès Lissman va estudiar el comportament dels peixos del gimnàs. Aquest peix viu en aigua opaca a les llacs i pantans d’Àfrica i, per tant, no sempre pot utilitzar la vista per orientar-se. Lissman va suggerir que aquests peixos, com els ratpenats, s’utilitzen per orientar-se ecolocalització.

La sorprenent capacitat dels ratpenats per volar en la foscor completa, sense topar amb obstacles, es va descobrir fa molt de temps, el 1793, és a dir, gairebé simultàniament amb el descobriment de Galvani. Ho va fer Lazaro Spallanzani - Professor a la Universitat de Pavia (la que va treballar Volta). Tot i això, les proves experimentals que els ratpenats emeten ultrasons i es guien pels seus ecos només es van obtenir el 1938 a la Universitat de Harvard als Estats Units, quan els físics van crear equips per enregistrar ultrasons.

Després d'haver testat la hipòtesi d'ultrasons de l'orientació del gimnàs de forma experimental, Lissman la va rebutjar. Va resultar que la gimnarca s’orienta d’alguna manera d’una altra manera. Estudiant el comportament de la gimnasta, Lissman va descobrir que aquest peix té un òrgan elèctric i comença a generar descàrregues de corrent molt febles en aigua opaca. Aquest corrent no és adequat per a la defensa ni per a atac. A continuació, Lissman va suggerir que el gimnarc havia de tenir òrgans especials per a la percepció dels camps elèctrics. sistema de sensors.

Era una hipòtesi molt atrevida. Els científics sabien que els insectes veuen llum ultraviolada i molts animals escolten sons inaudibles per a nosaltres. Però aquesta era només una petita extensió del rang en la percepció de senyals que la gent pot percebre. Lissman va permetre que existís un tipus de receptor completament nou.

La situació es complicava perquè ja es coneixia la reacció dels peixos davant els corrents febles. Parker i Van Heuser van ser observats el 1917 al peix gat (tots els peixos de gato semblen tenir electroreceptors). Tot i això, aquests autors van donar a les seves observacions una explicació completament diferent. Van decidir que passant un corrent per l’aigua, la distribució d’ions en ell canvia, i això afecta el gust de l’aigua. Aquest punt de vista semblava prou plausible: per què es poden trobar alguns òrgans nous, si els resultats poden ser explicats per òrgans del gust coneguts. És cert que aquests científics no van demostrar de cap manera la seva interpretació; no van fer cap experiment de control. Si tallessin els nervis procedents dels òrgans del gust, de manera que desapareixen les sensacions gustatives del peix, es trobarien que la reacció al corrent persisteix. Després de limitar-se a una explicació verbal de les seves observacions, van passar un gran descobriment.

Lissman, per contra, va presentar una gran varietat d’experiments i, després d’una dècada de treball, va demostrar la seva hipòtesi. Fa uns 25 anys, la ciència reconeixia l’existència d’electroreceptors. Es van començar a estudiar els electroreceptors i ben aviat es van trobar en molts peixos marins i d’aigua dolça (taurons, picotons, peixos de pesca, etc.), així com a les làmpares. Fa uns 5 anys, es van descobrir aquests receptors en amfibis (salamandra i axolotl) i recentment en mamífers (mànec).

On s’ubiquen els electroreceptors i com s’organitzen?

Els peixos (i els amfibis) tenen mecanoreceptors de línia lateral situats al llarg del cos i al cap del peix; perceben el moviment de l’aigua respecte a l’animal. Els electroreceptors són un altre tipus de receptors de línia lateral. Durant el desenvolupament embrionari, tots els receptors de la línia lateral es desenvolupen des de la mateixa zona del sistema nerviós que els receptors auditius i vestibulars. Així que els ratpenats auditius i els electroreceptors de peixos són parents propers.

En diferents peixos, els electroreceptors tenen una localització diferent: se situen al cap, a les aletes, al llarg del cos (de vegades en diverses fileres), a més d’una estructura diferent. Sovint, les cèl·lules electroreceptores formen òrgans especialitzats. Considerem aquí un d'aquests òrgans que es troben en els taurons i les picades: l'ampolla de Lorencini (aquest òrgan va ser descrit pel científic italià Lorencini el 1678).

Lorencini va pensar que les ampolles són glàndules que produeixen moc de peix (tot i que no van excloure altres possibilitats). L’ampolla Lorenzini és un canal subcutani, un dels quals està obert al medi extern (la seva entrada s’anomena de vegades porus) i l’altra acaba amb una extensió apagada (ampolla); el lumen del canal s’omple amb una massa semblant a la gelea; Les cèl·lules electroreceptores alineen en una fila el "fons" de l'ampolla.

És interessant (de fet, una ironia del destí) que Parker, que primer va adonar-se que els peixos reaccionessin davant els fluixos corrents elèctrics, també va estudiar les ampolles de Lorenzini, però els va atribuir funcions completament diferents. Va trobar que pressionant la vareta per l'entrada externa del canal ("temps"), es pot provocar una reacció de tauró (per exemple, un canvi en la freqüència de batecs del cor).

A partir d'aquests experiments, va concloure que l'ampolla Lorencini és un manòmetre per a mesurar la profunditat d'immersió de peixos, sobretot perquè l'estructura de l'òrgan era similar a la d'un manòmetre. Però aquesta vegada, la interpretació de Parker va resultar ser errònia. Si col·loqueu un tauró a una cambra de pressió i creeu una pressió més gran (simulant un augment de la profunditat d’immersió), l’ampolla Lorencini no hi respon - i això es pot fer sense experimentar: l’aigua pressiona de totes les parts i no té cap efecte). I a pressió només sobre el porus de la gelea que l’omple, sorgeix una diferència de potencial, similar a com sorgeix una diferència de potencial en un cristall piezoelèctric (tot i que el mecanisme físic de la diferència de potencial al canal és diferent).

Com s’organitzen les ampolles Lorenzini? Va resultar que totes les cèl·lules de l'epiteli que revesteixen el canal estan fermament connectades entre si mitjançant uns "contactes estrets" especials, que proporcionen una alta resistència específica de l'epiteli (uns 6 MOhm-cm2). Un canal recobert d’un aïllament tan bo s’estén per sota de la pell i pot tenir diverses desenes de centímetres de llarg. Per contra, la gelea que omple el canal de l’ampolla Lorenzini té una resistència molt baixa (de l’ordre de 30 Ohm-cm); això es garanteix que les bombes d’ions bomben molts ions K + al lumen del canal (la concentració de K + al canal és molt superior a l’aigua del mar o a la sang dels peixos). Així, el canal d’un òrgan elèctric és una peça d’un bon cable amb alta resistència aïllant i un nucli ben conductor.

Les desenes de milers de cèl·lules electroreceptores estan enganxades al fons de la ampolla en una capa. Resulta que la cèl·lula receptora en un extrem té un aspecte interior del canal i, a l’altre extrem, forma una sinapsi, on excita un emocionant mediador que actua sobre un extrem adequat de la fibra nerviosa. Cada ampolla és adequada per entre 10 i 20 fibres aferents i cadascuna proporciona molts terminals que van als receptors, de manera que, com a resultat, aproximadament 2.000 cèl·lules receptores actuen sobre cada fibra (atenció a això, és important!).

Vegem ara què passa amb les mateixes cèl·lules electroreceptores sota la influència d’un camp elèctric.

Si es col·loca alguna cèl·lula en un camp elèctric, aleshores en una part de la membrana el signe PP coincideix amb el signe de la força del camp, i en l’altra resulta ser el contrari. Això vol dir que sobre la meitat de la cèl·lula augmenta la MP (la membrana està hiperpolaritzada) i, d'altra banda, disminueix (la membrana es despolaritza).

L’acció del camp elèctric sobre la cel·la

Resulta que cada cèl·lula "sent" camps elèctrics, és a dir, és un electroreceptor. I és clar: en aquest cas, desapareix el problema de convertir un senyal extern a un de natural per a la cèl·lula -elèctrica-.Així, les cèl·lules electroreceptores funcionen molt senzillament: amb el signe adequat del camp extern, la membrana sinàptica d’aquestes cèl·lules es despolaritza i aquest canvi de potencial controla l’alliberament del mediador.

Però llavors sorgeix la pregunta: quines són les característiques de les cèl·lules electro-receptores? Alguna neurona pot exercir les seves funcions? Quin és l'arranjament especial de les ampolles Lorenzini?

Sí, qualitativament, qualsevol neurona es pot considerar un electroreceptor, però si recorrem a estimacions quantitatives, la situació canvia. Els camps elèctrics naturals són molt febles i tots els trucs que la natura utilitza en òrgans electrosensibles tenen com a objectiu, en primer lloc, captar la diferència de potencial més gran de la membrana sinàptica i, en segon lloc, assegurar una alta sensibilitat del mecanisme d’alliberament del mediador. MP.

Els òrgans elèctrics dels taurons i les picades tenen una sensibilitat extremadament alta (podem dir, fantàsticament alta!): els peixos reaccionen als camps elèctrics amb una intensitat de 0,1 μV / cm. De manera que el problema de la sensibilitat queda brillantment resolt a la natura. Com s’obtenen aquests resultats?

En primer lloc, el dispositiu de l’ampolla Lorenzini contribueix a aquesta sensibilitat. Si la força del camp és de 0,1 μV / cm i la longitud del canal de l'ampolla és de 10 cm, serà necessària una diferència de potencial d'1 μV per a tota l'ampolla. Gairebé tota aquesta tensió recaurà sobre la capa del receptor, ja que la seva resistència és molt superior a la resistència del medi al canal.

El tauró fa servir directament Ohm's law: V = IR, ja que el corrent que circula al circuit és el mateix, la caiguda de tensió és major quan la resistència és més alta. Així, com més llarg sigui el canal de l’ampolla i menor sigui la seva resistència, més gran és la diferència de potencial que es proporciona a l’electroreceptor.

En segon lloc, la legislació d'Ohm és "aplicada" pels mateixos electroreceptors. Les diferents seccions de la seva membrana també tenen resistència diferent: la membrana sinàptica, on destaca el mediador, té una alta resistència, i la part oposada de la membrana és petita, de manera que aquí la diferència de potencial es distribueix de manera més rendible.

Pel que fa a la sensibilitat de la membrana sinàptica als canvis de MP, es pot explicar per diverses raons: els canals d’aquesta membrana o el propi mecanisme d’expulsió del mediador poden tenir alta sensibilitat als desplaçaments potencials.

A. L. Call va proposar una versió molt interessant de l’explicació de l’alta sensibilitat de l’alliberament del mediador als torns de MP. La seva idea és que a aquestes sinapsis, el corrent generat per la membrana postsinàptica flueix a les cèl·lules receptores i afavoreixi l'alliberament del mediador; com a resultat, sorgeix una retroalimentació positiva: l'alliberament del mediador provoca un PSP, mentre que el corrent flueix a través de la sinapsi, i això millora l'alliberament del mediador.

En principi, aquest mecanisme ha de funcionar necessàriament. Però, en aquest cas, la pregunta és quantitativa: com d’efectiu és un mecanisme per exercir algun tipus de paper funcional? Recentment, A. L. Vyzov i els seus col·laboradors han pogut obtenir dades experimentals convincents que confirmen que aquest mecanisme funciona realment en fotoreceptors.