Органом какого чувства являются ампулы лоренцини у акул

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 35: чем почувствовать электрическое поле

У скатов и акул есть способность улавливать разницу, даже очень небольшую, в электрических полях. Это умение обеспечивает специальный орган чувств – ампулы Лоренцини, которые находятся на голове рыб. Хотя анатомически эти органы хорошо описаны, как они работают на молекулярном уровне оставалось неизвестным. В одном из номеров Nature рассказывается о ключевых каналах, которые обеспечивают биофизические свойства ампул Лоренцини.

Илл: из обсуждаемой статьи

Контекст

С середины 1970-х годов было известно, что для восприятия электрического поля скатам нужны два направленных потока ионов через мембрану, кальция и калия. Эти потоки связаны друг с другом: поток ионов кальция активирует поток ионов калия; за счет этой цепи слабые электрические сигналы из среды многократно увеличиваются. Но как совместить данные электрофизиологии с молекулярной биологией – что за каналы-молекулы пропускают эти ионы? Или, если перефразировать совсем конкретно, почему скаты могут детектировать изменения в напряжении электрического поля, а мы – нет?

Ампулы Лоренцини. Илл: из обсуждаемой статьи

Исследователи из университета Калифорнии Сан-Франциско выделили ампулы Лоренцини, и, выяснив, какие гены в них экспрессируются больше всего, нашли эти два канала, пропускающие кальций и калий. Достаточно очень небольшого изменения напряжения, чтобы кальциевый канал Ca_V1.3 у скатов открылся и начал пропускать ионы кальция внутрь клетки. Самое интересное, что и у мышей, и у человека есть ген этого кальциевого канала Ca_V1.3. Только чтобы заставить открыться этот кальциевый канал у мыши надо гораздо более высокое напряжение. Ученые показали, что причина в таких больших отличиях в физиологии – небольшие отличия в строении белка, всего несколько аминокислот.

На уровне генов и эволюции существует несколько способов приобретения нового свойства (в данном случае способность улавливать электрические поля). Самый энергоемкий из них – это не изобретать новый ген, а адаптировать уже имеющийся к определенной функции (зачем изобретать что-то принципиально новое, когда можно использовать старые разработки?). Адаптация кальциевого рецептора для электрорецепции у скатов – прекрасный пример такого эволюционного хода.

Текст: Дарья Овсянникова

«Molecular basis of ancestral vertebrate electroreception» by Nicholas W. Bellono, Duncan B. Leitch& David Julius in Nature 543, 391–396 (16 March 2017)

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Источник

Ампулы Лоренцини

А́мпулы Лоренци́ни — орган чувств у нескольких отрядов рыб, отвечающий за электрорецепцию и достигающий наибольшего развития у хрящевых рыб (акул, скатов и химер). Позволяет улавливать электрические поля и замечать чрезвычайно малые изменения в их напряжении. Вероятно, у ампул Лоренцини есть и другие функции, изучение которых не завершено.

Содержание

Строение

Ампулы Лоренцини сосредоточены в основном на голове рыбы вблизи рыла, вокруг глаз и ноздрей, но присутствуют (хотя и в меньшем количестве) и на других частях тела. Они представляют собой довольно длинные (до нескольких сантиметров) трубочки-каналы внутри тела рыбы, заполненные желеобразным слизистым веществом и открывающиеся на поверхности тела порами. На роструме многих акул эти поры хорошо заметны и образуют целую сеть небольших отверстий диаметром 1—2 мм [1] . Внутри тела каналы оканчиваются ампулообразным расширением. Длина каналов различна. Так, у среднего по размеру ската шириной 40 см самый длинный канал достигал 160 мм при диаметре в 2 мм; самый маленький — 5 мм в длину и 0,5 мм в диаметре. Форма члена различается в зависимости от вида рыбы [2] .

Ампулы часто бывают сгруппированы и окружены соединительной тканью, образующей хорошо заметные капсулы [2] . Внутренняя поверхность ампул богато иннервирована; к каждой подходит несколько нервных волокон — обычно 6, но иногда гораздо больше (например, у мраморного электрического ската (лат. Torpedo marmorata ) их количество колеблется от 26 до 32) [3] .

Анатомические образования, подобные ампулам Лоренцини, имеются, кроме хрящевых, у некоторых рыб, обладающих электрическими органами, — электрических угрей, некоторых сомов, у нильского гимнарха (лат. Gymnarchus niloticus ) [3] .

История изучения

Данный орган был впервые научно описан итальянским натуралистом Стефано Лоренцини (англ.) русск. в 1678 году, по имени которого и получил название. Функциональное назначение ампул Лоренцини долгое время оставалось неясным. Вначале сам Лоренцини предположил, что основная роль открытых им ампул — выработка слизи, но скоро усомнился в такой точке зрения, предположив, что орган имеет иное назначение [4] . Изучавшие этот орган биологи выдвигали самые разные гипотезы, предполагая, что он отвечает за осязание, ощущение давления, температуры или солёности морской воды [4] [3] .

Работы британских зоологов в 1957 году позволили прийти к выводу об электрочувствительности ампул Лоренцини. Учёные из Бирмингемского университета, испытывая реакцию органов чувств акул на изменения солёности воды, случайно воздействовали на ампулы Лоренцини электрическим полем и зафиксировали в них электрические разряды. Более поздние исследования показали, что ампулы Лоренцини у акул реагируют на невероятно слабые электрические поля — порядка 10 мкВ/м [5] . Специальные электрофизиологические исследования подтвердили уникально высокую чувствительность ампул к электрическим полям. Для реакции было достаточно разницы в силе тока между поверхностью шкуры акулы и внутренней частью ампулы Лоренцини в 0,005 мА. Если электрод смещали в сторону от поры ампулы всего на 0,5 мм, то для достижения такого же результата силу тока приходилось заметно увеличивать. Это подтвердило, что основным токопроводящим каналом органа является именно канал-трубочка [3] .

Функционирование

Заполненные желеобразной массой протоки ампул выполняют функцию изолированных проводников электричества, соединяющих поверхность тела рыбы с собственно ампулой. Стенки ампул и каналов являются хорошим изолятором — их электрическое сопротивление в 160 тыс. раз больше сопротивления вещества, заполняющего их. При этом электропроводность слизистого желе в протоках ампулы приблизительно такая же, как у морской воды, у остальных частей тела рыбы — примерно вдвое меньше [1] . Детальное изучение ампул Лоренцини американскими специалистами показало, что заполняющее их вещество обладает полупроводниковыми свойствами [4] . В связи со специфическим строением ампул электрические разряды высокой частоты затухают в их каналах быстрее, чем разряды низкой частоты. Поэтому считается, что более длинные ампулы Лоренцини воспринимают в основном низкочастотные разряды, а короткие — высокочастотные [3] .

Чрезвычайная чувствительность акул к малейшим колебаниям электрического поля играет важную роль в питании акул. Даже в мутной воде акула способна с высокой точностью наносить укус добыче, даже не видя её, но улавливая исходящие от неё электрические импульсы. Кроме того, после нанесения акулой первого укуса, когда в морскую воду попадает кровь, ампулы Лоренцини воспринимают довольно сильный электрический сигнал, вызванный реакцией морской воды и крови. Это позволяет акуле успешно продолжать атаку даже на невидимую цель [6] .

Считается также, что ампулы Лоренцини позволяют чувствовать изменения температуры воды. Однако вопрос о дополнительных функциях этого органа требует новых исследований. Они, вероятно, помогают рыбам при ориентации по магнитному полю Земли [1] [3] .

Источник

Ампулы Лоренцини — сверхчувство акулы

Электрорецепция относится к тому разряду органов чувств акул, которые находятся за пределами понимания человека – можно вычислить принцип их работы, но невозможно даже предположить, какие ощущения дает хищницам этот набор сенсоров.

Сеть акульих электрорецепторов открыл Стефано Лоренцини, в 1678 году он описал их как множественные поры, уходящие под кожу хищниц трубчатыми каналами с желеобразным наполнителем.

Итальянский анатом не смог определить их назначения, предположив, что ампулы Лоренцини являются неким органом чувств акул.

В начале XX века ученые вплотную занялись исследованиями неведомого органа, но не были готовы осознать его возможности – разум отказывался признать за акулами возможность ощущать слабейшие электрические поля.

Загадочные рецепторы считали органами, реагирующими на давление или температуру.

Смотреть видео — Ампулы Лоренцини у акулы:

Сверхчувствительность электрорецепторов акулы

Одним из первых истинную роль ампул Лоренцини выявил ученый Ройс Мюррей (Бирмингемский университет, Великобритания) – в 1957 году, испытывая реакцию рецепторов акулы на изменения солености воды, он случайно воздействовал на мембраны ампул электрическим полем и зафиксировал в них импульсный разряд.

Поздние исследования показали, что акульи ампулы Лоренцини реагируют на фантастически слабые электрические поля – миллиардные доли одного вольта!

Ни одно другое живое существо, ни один самый современный прибор не могут засечь столь слабое электрическое поле.

По своей конструкции ампулы Лоренцини схожи с сенсорной системой боковой линии акул – каналы заполнены желеобразным веществом, в них размещены клетки с ресничками.

Но реакция ресничек на внешний раздражитель, которым для них является электрическое поле, полностью неожиданна – они не изгибаются, передавая сигнал по цепочке, а меняют свою электрическую полярность!

Смена положительного электрического заряда на отрицательный вызывает электроимпульс, который сообщается в мозг хищницы.

Интересно, что одни и те же клетки с ресничками используются в органах чувств акул для слуха, для обнаружения волновых колебаний в воде и для электрорецепции – эволюция акульего рода проявила в них консерватизм и изобретательность одновременно.

Смотреть видео — Электрочувствительность акулы:

Как акула использует ампулы Лоренцини в охоте?

Дистанция, на которой акулы ощущают через ампулы Лоренцини электрическое поле жертвы, точно не известна – считается, что она не превышает полуметра. Приближаясь к объекту охоты, акула использует все свои органы чувств, но в момент атаки переходит только на электрорецепцию.

Почему она так поступает?

Тела живых существ генерируют слабое электрополе, которое легко обнаруживают акулы на близком расстоянии – к примеру, именно так находят добычу, скрывающуюся в донном песке морей, молотоголовые акулы.

В случаях нападения акул на человека, чаще всего отмечается общая, достаточно странная форма поведения хищницы – она атакует только одну жертву, не обращая никакого внимания на других людей, даже если те пытаются помешать акуле.

После нанесения акулой первого укуса, в морскую воду поступает много крови, частично или полностью блокирующей обзор и обоняние хищницы.

Но в этот момент ампулы Лоренцини воспринимают наиболее устойчивое и мощное электрическое поле, вызванное электрохимической реакцией морской воды и крови, истекающей из тела жертвы – акула безошибочно следует этому сигналу.

Электрорецепторы используются акулами для нанесения точного укуса – это все, что ученые знают о них на настоящий момент.

А вот полное исследование возможностей, которые дают акулам ампулы Лоренцини, еще предстоит ученым будущего.

Источник

Ученые выяснили, как акулы и скаты чувствуют электричество

Ампулы Лоренцини — орган чувств, которым некоторые рыбы ощущают электрическое поле своих жертв. Впервые их описал итальянский ученый Стефано Лоренцини в 1678 году: это небольшие поры вокруг головы и на нижней стороне тела акул и скатов. Каждая пора соединена с электрочувствительными клетками каналом, заполненным прозрачным вязким желе. В новом исследовании группа американских биологов и физиков впервые выяснила, как происходит передача сигнала в этой системе. Их статья опубликована в журнале Science Advances.

В работе ученые извлекали желе из ампул Лоренцини большого калифорнийского ската, длинноносого ската и малой молот-рыбы (акулы-лопаты), после чего измеряли способность этого желе проводить электрический ток.

Результаты измерений показали, что желе из ампул Лоренцини хорошо проводит протоны — положительно заряженные ядра водорода. Полученная экспериментально величина проводимости составляет 2 ± 1 миллисименса на сантиметр. По словам исследователей, это рекордная величина для биологических материалов: она всего в 40 раз меньше характерных значений для самого современного протон-проводящего полимера — нафиона. Мембраны из этого вещества используют в топливных элементах.

В будущем ученые планируют выяснить, какие именно вещества в составе желе из ампул Лоренцини позволяют скатам и акулам улавливать изменения электрического поля величиной всего в пять нановольт на сантиметр. Для сравнения: напряженность электрического поля в нескольких сантиметрах от поверхности тела человека может составлять вольты на сантиметр. О том, какую роль играет электричество в теле живых существ, смотрите в видеоматериале «Чердака».

Источник

Ампулы Лоренцини — Ampullae of Lorenzini

В ампулы Лоренцини особенное зрение органы называется электрорецепторы, образуя сеть пор, заполненных желе. В основном они обсуждаются как находящиеся в хрящевые рыбы (акулы, лучи, и химеры); однако сообщается, что их также можно найти в Хондростей Такие как тростник [1] и осетр. [2] Двоякодышащая рыба также сообщалось о наличии их. [1] Клеосты заново разработали другой тип электрорецепторов. [2] Впервые они были описаны Стефано Лоренцини в 1678 г.

Эти органы чувств помогают рыбам ощущать электрические поля в воде. Каждая ампула представляет собой заполненный желе канал, выходящий на поверхность посредством поры в коже и слепо оканчивается скоплением маленьких карманов, наполненных особой желеобразной субстанцией. Ампулы в основном сгруппированы в группы внутри тела, каждая группа имеет ампулы, соединяющиеся с разными частями кожи, но сохраняющие лево-правый симметрия. Длина каналов варьируется от животного к животному, но распределение пор обычно индивидуально для каждого вида. Поры ампул отчетливо видны в виде темных пятен на коже. Они дают рыбе дополнительный смысл способен обнаруживать электрический и магнитные поля а также температурные градиенты.

Содержание

Способность чувствовать электрическое поле

Ампулы обнаруживают электрические поля в воды, а точнее разность потенциалов между Напряжение в порах кожи и Напряжение у основания электрорецепторных ячеек. [3] Положительный поровый стимул снизит скорость нерв деятельность, исходящая от электрорецептор клеток, а отрицательный поровый стимул увеличит скорость нерв активность, исходящая от клеток электрорецептора. Каждая ампула содержит единственный слой клеток, который содержит электрически возбудимые рецепторные клетки, разделенные поддерживающими клетками. Клетки соединены апикальными плотными соединениями, поэтому между ними не протекает ток. Апикальные поверхности рецепторных клеток имеют небольшую площадь поверхности с высокой концентрацией зависимых от напряжения кальциевых каналов и активируемых кальцием калиевых каналов. [4] Поскольку стенка канала имеет очень высокое сопротивление, вся разница в напряжении между порами канала и ампулой падает на рецепторный эпителий, толщина которого составляет около 50 микрон. Поскольку базальные мембраны рецепторных клеток имеют более низкое сопротивление, большая часть напряжения падает на апикальные поверхности, которые являются возбудимыми и находятся на пороге. Направленный внутрь кальциевый ток через рецепторные клетки деполяризует базальные поверхности, вызывая пресинаптическое высвобождение кальция и высвобождение возбуждающего медиатора на афферентные нервные волокна. Одно из первых описаний калиевых каналов, активируемых кальцием, было основано на исследованиях ампулы Лоренцини в коньках. Активированные кальцием калиевые каналы (ВК-каналы) с большой проводимостью недавно были продемонстрированы в ампуле путем клонирования.

Акулы могут быть более чувствительны к электрические поля чем любое другое животное, с порогом чувствительности всего 5 нВ / см. То есть 5 / 1,000,000,000 вольт измеряется в ампуле длиной в сантиметр. Большие белые акулы способны реагировать на заряд в одну миллионную вольта в воде. [3] Все живые существа создают электрическое поле за счет мышца сокращения, и акула может улавливать слабые электрические стимулы от мышечных сокращений животных, особенно добычи. [5] С другой стороны, электрохимических полей, создаваемых парализованной добычей, было достаточно, чтобы вызвать нападение акул и скатов в экспериментальных резервуарах; поэтому сокращения мышц не нужны для привлечения животных. Акулы и скаты могут обнаружить добычу, закопанную в песке, или ОКРУГ КОЛУМБИЯ электрические диполи, моделирующие главную особенность электрического поля жертвы, закопанной в песок.

Любой движущийся проводник, такой как морская вода, индуцирует электрическое поле, когда присутствует магнитное поле, такое как у Земли. Электрические поля, индуцированные океанскими течениями Магнитное поле Земли того же порядка, что и электрические поля что акулы и скаты способны чувствовать. Это может означать, что акулы и скаты могут ориентироваться на электрические поля океанических течений и использовать другие источники электрических полей в океане для локальной ориентации. Кроме того, электрическое поле, которое они создают в своих телах при плавании в магнитном поле Земли, может позволить им почувствовать свой магнитный курс.

Поведенческие исследования также предоставили доказательства того, что акулы могут обнаруживать изменения в геомагнитном поле. В одном эксперименте песчаных акул и зубчатых акул-молотов заставили связывать пищевое вознаграждение с искусственным магнитным полем. Когда пищевое вознаграждение было снято, акулы продолжали демонстрировать заметную разницу в поведении, когда магнитное поле было включено, по сравнению с тем, когда оно было выключено. [6]

История

В начале 20-го века функция ампул не была ясно понята, и электрофизиологические эксперименты показали, что температура, механическое давление и, возможно, соленость. Лишь в 1960 году ампулы были четко идентифицированы как специализированные рецепторные органы для восприятия. электрические поля. [7] [8] Ампулы также могут позволить акуле обнаруживать изменения температуры воды. Каждая ампула представляет собой связку сенсорные клетки содержащий несколько нерв волокна. Эти волокна заключены в наполненный гелем трубочка который имеет прямой выход на поверхность через пору. Гель представляет собой гликопротеин-основное вещество с таким же удельным сопротивлением, как морская вода, и у него есть электрические свойства, похожие на полупроводник. [9] Это было предложено как механизм, с помощью которого изменения температуры преобразованный в электрический сигнал что акула может использовать для определения температурных градиентов, хотя это является предметом дискуссий в научной литературе. [10] [11]

Свойства материала

Гидрогель, содержащий кератансульфат в 97% воды имеет проводимость около 1,8 РС/ см, самый высокий из известных среди биологических материалов. [12] [ неосновной источник необходим ]

Источник