Привет всем любителям физики и физического эксперимента! В блоге GetAClass на Хабре уже три публикации -- и все они получились довольно увесистыми лонгридами. Сегодня решили запостить статью попроще и покороче -- по мотивам нашего видео об электрических рыбах. Большинство из них используют электричество для ориентировки в пространстве и навигации, но некоторые способны создавать сильные разряды для обороны или охоты. Именно об их устройстве мы сегодня и поговорим.
Напишите в комментариях, стоит ли нам иногда публиковать такие короткие заметки? А может, вы хотите почитать наши интервью со школьными и вузовыскими преподавателями про физику? Дайте знать в комментариях -- это поможет нам вести этот блог.
И по традиции напоминаем: наш проект полностью некоммерческий и живет только за счет донатов неравнодушных людей. Мы будем рады и вашей поддержке! Каждый донат помогает нам выпускать контент и выкладывать его в открытом доступе.
Электрические рыбы: от древних лекарей до изобретения батарейки
К таким рыбам относятся:
многочисленные виды электрических скатов, которые обитают в умеренных и тёплых прибрежных морских водах;
электрические сомы, живущие в озёрах и реках Африки;
и обитающий в Амазонке электрический угорь, который может дышать воздухом и угрём, вообще-то, не является.
Древнегреческие врачи использовали разряды электрических скатов для облегчения боли. На греческом языке такой скат назывался νάρκη — от этого названия происходит наше слово «наркоз».
Первым связал удары ската с электричеством британский учёный Джон Уолш в 1772 году: он заметил, что такой удар передаётся через металлы, но не проходит через стекло и воск. А ещё через 20 лет Алессандро Вольта заинтересовался строением электрических органов скатов и привезённых из Америки угрей: он увидел, что они состоят из столбиков, похожих на стопки монет, — по этому образцу он и построил свой вольтов столб, первую в мире батарейку.
Как устроен электрический орган
Электрические клетки рыб называются электроцитами. Один электроцит способен создавать напряжение примерно в 0,15 В. В электрическом органе угря последовательно соединяется около 6 000 электроцитов, что даёт суммарное напряжение 900 В.
Однако ток, создаваемый одним таким столбиком, слишком слабый, поэтому несколько десятков столбиков соединяются параллельно — и тогда они могут вырабатывать кратковременный ток до 1 А.
Удар таким током может парализовать большое животное. В истории описаны случаи, когда лошади, переходившие реки в Амазонии, гибли после атак угрей. Знаменитый натуралист Александр фон Гумбольдт описал битву угрей с лошадьми, которую он наблюдал в 1800 году — как раз в то время, когда Вольта создавал свою батарейку.
Как электроцит заряжается и стреляет — и почему рыба не бьёт сама себя
И теперь надо понять, как электроцит заряжается, как удерживает заряд, а потом разряжается. Электроцит несимметричен — и на одной его стенке имеются специальные белковые насосы, которые непрерывно выкачивают наружу в межклеточное пространство положительно заряженные ионы натрия.
В результате снаружи клетки создаётся плотный слой положительных ионов натрия, а внутри образуется отрицательный заряд. Электрические рыбы тратят до 25% энергии от съеденной пищи на то, чтобы эти насосы постоянно работали и держали свои батарейки заряженными.
На противоположной стенке электроцита имеются натриевые каналы, которые в обычном состоянии заперты.
Когда угорь решает атаковать, из его мозга по нервам поступает сигнал, открывающий эти каналы: ионы натрия из межклеточного пространства лавиной устремляются внутрь электроцитов, создавая мощный электрический ток, который замыкается через воду и поражаемое животное.
Мощность электрического удара угря приближается к 1 кВт. Впрочем, длительность одного разряда невелика — около 2 мс. Однако угорь редко бьёт один раз: обычно он выдаёт серию от 10 до 30 импульсов подряд. Разряд электрического ската чуть длиннее — до 50 мс; это связано с тем, что скат живёт в солёной воде, которая хорошо проводит электричество, поэтому напряжение его электрического органа составляет всего около 50 В, и чтобы высвободить энергию одного разряда, ему требуется больше времени.
Так почему электрические рыбы в момент удара не бьют электричеством сами себя? Дело в том, что жизненно важные органы этих рыб защищены от собственного тока мощной жировой изоляцией. Конечно, эта изоляция не идеальна — и рыбы чувствуют свой собственный удар, но он для них не опасен.
Вопрос напоследок
Обычно в конце статьи мы задаем задачку, чтобы вам было что пообсуждать в комментариях. Но сегодня и статья простая, и вопрос будет простой, даже развлекательный: рыбы в процессе эволюции выработали себе электрические органы и получают от них большую пользу, а какую пользу могли бы получить от таких органов мы? Ваши соображения на этот счёт пишите в комментариях.
К сожалению, Андрей Иванович физически не успевает отвечать на комментарии на всех площадках GetAClass. Поэтому под этой статьей предлагаем вам обсудить парадокс изогнутой трубы друг с другом, а если вам хочется поговорить напрямую с Андреем Ивановичем, тогда милости просим в наше сообщество на YouTube!
Видео, на основе которого подготовлен этот материал:
