На главнуюТексты книг БКАудиокниги БКПолит-инфоСоветские учебникиЗа страницами учебникаФото-ПитерНастрои СытинаРадиоспектаклиКнижная иллюстрация





Библиотечка «За страницами учебника»
Физик в гостях у биолога (серия «Квант» №49). Богданов К. Ю. — 1986 г.

Библиотечка «Квант» № 49
Константин Юрьевич Богданов

Физик в гостях у биолога

*** 1986 ***



DjVu


 

PEKЛAMA

Заказать почтой 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD.
Подробности >>>>


Популярно рассказывается о физических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Читатель познакомится с современными представлениями о работе органов чувств человека и животных. Отдельные главы посвящены физическим принципам, определяющим способность человека видеть, слышать, дышать и т. п.


      ОГЛАВЛЕНИЕ
     
      Предисловие 4
      Глава 1. ЖИВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 5
      Давным-давно (5). Мембрана (8). Потенциал покоя (9). Потенциал действия (11). Распространение нервного импульса (13). Перехваты Ранвье (16). А что снаружи? (17) Живые молнии (18). Электричество у растений (23). Имеют ли животные магнитный компас? (25)
      Глава 2. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИКА 34
      Вблизи физического предела (35). Живые зеркала (38).
      Г лаз-термометр (41). Омматидий — учебник по оптике (46). Всепогодный солнечный компас (50). Растения-световоды (54)
      Глава 3. ПРОЧНЕЕ ГРАНИТА 56
      А внутри-то пусто! (57) Запас прочности (59). Кость под током (61). Физика карате (62). А сухожилия зачем? (64)
      Глава 4. МЕХАНИКА СЕРДЕЧНОГО ПУЛЬСА 67
      Артерии и пульс (68). Скорость пульсовой волны (71). Отражение пульсовых волн (75). Аневризма (77). Кровообращение у жирафа и космическая медицина (79). Как измеряют давление крови и скорость кровотока (83). Цвет крови и закон сохранения энергии (89)
      Глава 5. ДЫШИТЕ ГЛУБЖЕ: ВЫ ВЗВОЛНОВАНЫ! 91
      Дыхание и мыльные пузыри (93). Не все так просто (96). Исключения из правил (101). Противоток — дешево и удобно (104). Ныряем! (104)
      Глава 6. АЛЛО! ВЫ МЕНЯ СЛЫШИТЕ? 111
      Основные понятия акустики (111). Как мы слышим (114).
      Ау! Где Вы? (118) Живые локаторы (122)
      Глава 7. ОТ МОСЬКИ ДО СЛОНА 127
      Масса тела и образ жизни (127). Кто выше прыгает и быстрее плавает (131). Большие и маленькие на прогулке (132).
      Масса и энергия (135). Как способ дыхания определяет массу животного (138)

     

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      «Никто не обнимет необъятного», — сказал Козьма Прутков. Действительно, этого сделать нельзя. А все-таки хочется! Не этим ли желанием объять необъятное вызвано рождение и происходящее сейчас быстрое развитие новых наук, лежащих на стыке двух или нескольких прежних. Становится ясным, что дальнейший прогресс в любой науке невозможен без использования достижений других отраслей знания. Математика и физика. Физика и химия. Математика и электроника. Симбиоз этих точных наук кажется сейчас естественным, а родившиеся в результате математическая физика, физическая химия и вычислительная математика давно уже стали привычными.
      Так получилось, что биология и медицина не попали в разряд точных наук. Предмет, который они изучают, — живой организм — так сложен и многообразен, что точно описать все его характеристики и закономерности до сих пор не представляется возможным. На протяжении многих веков биология была лишь описательной наукой и практически не объясняла причин большинства явлений, происходящих в живом организме. И вот сейчас все мы являемся свидетелями качественных изменений в биологических науках. Использование достижений физики и химии сделало возможным исследование основ жизни на молекулярном уровне. В результате взаимопроникновения химии и биологии, физики и биологии родились биохимия и биофизика.
      Настоящая книга представляет собой популярное введение в биофизику и знакомит читателя с различными приложениями физики в биологии.
      Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность кандидату физико-математических наук Ю. М. Бруку — инициатору написания данной книги и первому ее читателю — за ценные замечания, сделанные им после прочтения рукописи.
     
      ГЛАВА 1
      ЖИВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
      ... превращать электрическую силу в нервную.
      М. Фарадей
      Взаимоотношения между электромагнитными явлениями и жизнью были предметом жарких споров на протяжении более четырех с лишним веков. И только в нашем столетии с появлением достаточно чувствительных приборов удалось продемонстрировать, что протекание многих процессов в живом организме действительно сопровождается изменениями электрического поля. За последние 20 — 30 лет накопилось множество данных, указывающих на высокую чувствительность живых организмов к электромагнитному полю. При этом наблюдаемые эффекты ни в коей мере нельзя объяснить тепловым действием такого поля.
      Известно, например, что общий наркоз (потерю сознания и болевой чувствительности) можно вызвать, пропуская через мозг человека импульсы переменного тока. Этот способ обезболивания во время операций широко применяют сейчас у нас в стране и за рубежом. Направление силовых линий электрического поля Земли служит «компасом» при дальних миграциях атлантического угря.. Навигационные способности голубей основаны на восприятии магнитного поля Земли. Рост костей нашего скелета изменяется в электрическом поле, и это используют сейчас для лечения переломов. При желании этот перечень биологических эффектов электромагнитного поля можно было бы продолжать довольно долго, но это не является нашей задачей.
     
      Давным-давно
      Пионером исследования роли электрического поля в живом организме явился профессор анатомии из Болонского университета Луиджи Гальвани. Начиная с 1775 г. он стал интересоваться взаимосвязью между «электричеством и жизнью». В 1786 г. один из помощников профессора, выделяя скальпелем мышцу из лапки лягушки, случайно дотронулся им до нерва, идущего к этой мышце. В это же время на том же столе в лаборатории работала электростатическая машина — генератор статического электричества, и каждый раз, когда машина давала разряд, мышца лягушки сокращалась. Гальва-ни заключил, что каким-то образом электричество «входит» в нерв и это приводит к сокращению мышцы. Последующие пять лет он посвятил изучению роли различных металлов в их способности вызывать мышечные сокращения. Гальвани пришел к выводу, что если нерв и мышца лежат на одинаковых металлических пластинах, то замыкание пластин проволокой не дает никакого эффекта (рис. 1). Но если пластины изготовлены из разных металлов, их замыкание сопровождается мышечным сокращением.
     
      Металлические пластины
      Рис. 1. Схема опыта Л. Гатьвани, анализ которого привел А. Вольта к изобретению источника постоянного тока
      Гальвани сообщил о своем открытии в 1791 г. Он считал, что причиной подергивания лапки лягушки является «животное электричество», образующееся в самом теле животного, а проволока служит только для замыкания электрической цепи. Одну копию своей работы он послал Алессандро Вольта, профессору физики из Павии (Северная Италия).
      Вольта повторил эксперименты Гальвани, получил те же результаты и сначала согласился с его выводом, но потом обратил внимание на то, что «животное электричество» возникает только при наличии в цепи двух различных металлов. Вольта показал, что прикосновение к языку двух разных, соединенных между собой металлов вызывает вкусовое ощущение. Если же прикоснуться к глазному яблоку оловянным листком, а в рот взять серебряную ложку, то замыкание ложки и листа даст световое ощущение. Пытаясь опровергнуть тезис Гальвани о существовании «животного электричества», Вольта предположил, что цепь, содержащая два различных металла, контактирующих с солевым раствором, должна быть источником постоянного тока — в отличие от электростатической машины, дающей только электрические разряды.
      Так оно и оказалось. Свою работу с описанием первого источника постоянного тока (впоследствии названного гальваническим) Вольта опубликовал в 1793 г. Хотя Гальвани вскоре после этого показал, что «животное электричество» существует и в цепях, не содержащих биметаллических контактов, продолжить спор с Вольта он не смог. В 1796 г. Болонья перешла иод контроль Франции, и отказавшийся признать новое правительство Гальвани был выдворен из университета. Он вынужден был искать прибежища у своего брата, где уже не занимался наукой вплоть до самой своей смерти (1798 г.). В 1800 г. Вольта представил свое открытие Наполеону, за что получил большое вознаграждение. Так спор двух разных по политическим убеждениям, темпераменту и образованию соотечественников дал толчок развитию современной физики и биологии.
      Так кто же был прав в этом споре? Существует «животное электричество» или нет? В последних своих опытах Гальвани использовал .сразу две мышцы, расположив их так, что нерв, отходящий от одной мышцы, находился на другой (рис. 2).
      Рис. 2 Схема опыта Л. Гальвани, доказывающего существование «животного электричества»
      Оказалось, что при каждом сокращении мышцы 1, вызванном пропусканием тока через ее нерв, сокращается и мышца 2 так, как будто бы через ее нерв тоже пропускают ток. Из этих опытов Гальвани заключил, что мышца во время сокращения служит источником электрического тока. Так было доказано (правда, косвенно) существование «животного электричества». И лишь спустя полвека, в 1843 г., немецкий физиолог Э. Дкбуа-Реймон впервые продемонстрировал наличие электрических полей в нервах, использовав для этого усовершенствованную им электроизмерительную аппаратуру.
      Что же является источником «животного электричества»? Для ответа на этот вопрос понадобилось еще полвека.
     
      Мембрана
      Все живое очень разборчиво относится к компонентам окружающей среды. Помогает этому избирательная проницаемость мембран клеток живого организма. Мембрана клетки — это ее «кожа», имеющая толщину около 0,01 мкм. Клеточная мембрана избирательно снижает скорость передвижения молекул в клетку и из нее. Она определяет, каким молекулам можно проникнуть в клетку, а каким нужно оставаться за ее пределами. Эта деятельность мембраны сопряжена с большими затратами энергии и приводит к тому, что концентрации некоторых ионов внутри и вне клетки могут различаться в десятки, а иногда и тысячи раз (см. табл. 1). Например, концентрация ионов калия внутри клетки почти в 30 раз выше, чем во внеклеточной жидкости. Наоборот, концентрация ионов натрия внутри клетки приблизительно в 10 раз меньше, чем снаружи. Как мы увидим, различия в концентрациях ионов калия и натрия по обе стороны мембраны необходимы для существования электрических полей в живых организмах.
      Оказалось, что в состоянии покоя клеточная мембрана проницаема практически только для ионов калия. При возбуждении*) на очень короткое время (около 10“3 с у нервных клеток) мембрана становится проницаемой также для некоторых других ионов (нервные клетки и клетки скелетных мышц начинают пропускать внутрь себя ионы натрия; клетки сердца — ионы натрия и кальция; некоторые типы мышечных клеток — только ионы кальция). Такое поведение мембраны объясняется существованием в ней огромного числа (от 10 до 500 штук на 10“ 6 мм2) «пор» или «каналов» нескольких видов, предназначенных для пропускания различных ионов. Лучше всего изучены каналы для ионов натрия и калия. Различная проницаемость мембраны для этих ионов связана с их способностью по-разному притягивать к себе молекулы воды: один ион натрия притягивает пять молекул воды, а калия — только три. Поэтому диаметр иона калия вместе с «шубой» из молекул воды оказывается меньше соответствующего диаметра натрия. Площадь поперечного сечения ионного канала в мембране близка к 1,5 1Г13 мм2.
     
      Потенциал покоя
      Попробуем представить себе, к чему может привести различие в концентрациях ионов калия по обе стороны клеточной мембраны при ее высокой проницаемости для этих ионов. (Именно эта задача была поставлена и решена в 1902 г. немецким физиологом Юлиусом Бернштейном, основателем мембранной теории возбуждения.) Предположим, что мы опустили клетку с мембраной, проницаемой только для ионов калия, в электролит, где их концентрация меньше, чем внутри клетки. Сразу после соприкосновения мембраны с раствором ионы калия начнут выходить из клетки наружу, как выходит газ из надутого шара. Но каждый ион несет с собой положительный электрический заряд, и чем больше ионов калия покинет клетку, тем более электроотрицательным станет ее содержимое. Поэтому на каждый ион калия, выходящий из клетки, будет действовать электрическая сила, препятствующая его движению наружу. В конце концов установится равновесие, при котором электрическая сила, действующая на ион калия в канале мембраны, будет равна силе, обусловленной различием концентраций ионов калия внутри и вне клетки. Очевидно, что в. результате такого равновесия между внутренним и наружным растворами появится разность потенциалов. При этом, если за нуль потенциала принять потенциал внешнего раствора, то потенциал внутри клетки будет отрицательным.
      Эта разность потенциалов — самое простое из наблюдаемых биоэлектрических явлений — носит название «потенциал покоя» клетки. Можно показать, что выражение для величины потенциала покоя клетки имеет вид
      где е — заряд электрона, А — постоянная Авогадро, R — газовая постоянная, Т — температура по шкале Кельвина, а
      Следует отметить, что падение напряжения на клеточной мембране, составляющее менее 0,1 В, происходит на отрезке длиной около 10“6 см. Поэтому напряженность электрического поля в толще мембраны может достигать огромных значений — около 105 В/см, которые близки к напряженности электрического пробоя этой мембраны:
      Измерить разность электрических потенциалов у живых клеток не так просто — ведь клетки очень малы. Поскольку обычные щупы, прилагаемые к каждому вольтметру, здесь не годятся, то используют стеклянные пипетки (микроэлектроды), диаметр тонкой части (кончика) которых составляет менее одного микрометра. Пипетку заполняют сильным раствором электролита (например, трехмолярным хлористым калием) и соединяют ее содержимое при помощи металлического проводника со входом вольтметра, обладающим высоким (более 109 Ом) сопротивлением, так как сопротивление пипетки может иногда приближаться к 108 Ом. Необходимы большие ухищрения, чтобы ввести микроэлектрод в клетку, не повредив ее (рис. 3).
      Рис. 3. Измерение разности потенциалов на мембране живой клетки
      Напряженность электрического поля клетки в состоянии покоя отлична от нуля только в толще ее мембраны (между ее внутренней и внешней поверхностями). Поэтому в состоянии покоя разность потенциалов между любыми двумя точками внеклеточной среды или любыми двумя точками внутриклеточной среды равна нулю.
      Очевидно, что биологическая мембрана, окруженная с обеих сторон растворами электролитов, может служить источником электродвижущей силы (э. д. с.). Однако в отличие от выпускаемых промышленностью элементов постоянного тока био-
      логический источник э. д. с. может иметь очень малые размеры, так как толщина мембраны составляет всего 0,01 — 0,02 мкм. Поэтому в настоящее время ведется разработка источников э. д. с., аналогичных биологической мембране, которые могут найти применение в будущих миникомпьютерах.
     
      Потенциал действия
      Что же такое возбуждение мембраны? Это резкое увеличение проницаемости натриевых и/или кальциевых каналов мембраны, сопровождающееся таким же резким изменением разности потенциалов между ее внутренней и наружной поверхностями. Процессы возбуждения в различных клетках отличаются друг от друга только своей скоростью и типом используемых ионов. Лучше всего изучено возбуждение нервной клетки, основную роль в котором играют ионы натрия. Натриевый канал мембраны нервной клетки устроен гораздо сложнее калиевого, и его пропускная способность резко возрастает при увеличении потенциала U внутриклеточной среды, отсчитываемого от потенциала внешнего раствора, принятого за нуль (рис. 4).
      Рис. 4. Зависимость пропускной способности натриевого канала от напряжения
      на мембране
      Предположим теперь, что нам каким-то образом удается увеличить U на 20 — 30 мВ (например, пропустив ток через клетку). Как только это произойдет, пропускная способность натриевого канала возрастет и в клетку войдет некоторое число ионов натрия, так как снаружи их концентрация выше, чем внутри. Но каждый ион натрия несет положительный заряд, и это повлечет за собой еще большее увеличение U, а значит, и еще большее повышение пропускной способности натриевого канала, и так далее. Видно, что небольшое первоначальное увеличение должно приводить к быстрому, взрывоподобному процессу, в результате которого проницаемость мембраны для ионов натрия возрастает до максимально возможных значений и становится в десятки раз выше ее проницаемости для ионов калия. Это обусловлено тем, что количество натриевых каналов в мембране приблизительно в 10 раз превышает число калиевых. Поэтому, пренебрегая проницаемостью мембраны для калия, можно вычислить потенциал U в конце этого быстрого процесса, используя выражение (1), заменив в нем [К+] на [Na+] и приняв [Na+]i/[Na+]0 =0,1. После подстановки получим, что скачок потенциала за время этого переходного процесса составит около 0,14 В.
      Но натриевый канал обладает еще одной особенностью, отличающей его от калиевого: пропускная способность натриевого канала зависит не только от напряжения на мембране, но и от того, сколько времени прошло после его открытия. Натриевый канал может находиться в открытом состоянии лишь в течение 0,1 — 1,0 мс в зависимости от температуры и от вида клетки (рис. 5). А это приводит к тому, что разность потенциалов на мембране после резкого скачка в 0,1 В снова возвращается к своему исходному значению — потенциалу покоя. Более быстрому возвращению U к потенциалу покоя способствует также то, что одновременно с уменьшением проницаемости натриевого канала начинает расти проницаемость калиевых каналов мембраны. Описанный процесс лавинообразного увеличения U и его последующего уменьшения получил название «потенциал действия», или «нервный импульс» (рис. 6).
      Нервный импульс составляет материальную основу упомянутого ранее процесса возбуждения в нервной системе. За исследование природы нервного импульса английским ученым А. Ходжкину и А. Хаксли в 1963 г. была присуждена Нобелевская премия.
     
      Распространение нервного импульса
      Как наши органы чувств сообщают мозгу о том, что происходит вокруг нас? И вообще, как обмениваются информацией различные части нашего организма? Природа придумала для этого две специальные системы связи. Первая, гуморальная (от латинского humor — влага, жидкость) система основана на диффузии или же переносе с током жидкости биологически активных веществ из места где они синтезируются, по всему организму. Эта система является единственной у простейших организмов, а также у растений.
      Рис. 7. Схема связей между нервными клетками, органами чувств и мышцами У многоклеточных животных (и у нас с вами), кроме первой есть еще и вторая, нервная (от латинского nervus — жила) система, состоящая из огромного числа нервных клеток с отростками — нервными волокнами, пронизывающими весь организм (рис. 7). Мембрана тела нервной клетки возбуждается, как только к нему приходят нервные импульсы от соседних клеток по их отросткам. Это возбуждение распространяется на нервное волокно, отходящее от клетки, и движется по нему со скоростью до сотни метров в секунду к соседним клеткам, мышцам или органам. Таким образом, элементарным сигналом, передающим информацию из одной части тела животного в другую, является нервный импульс. В отличие от точек и тире азбуки Морзе длительность нервного импульса постоянна (около 1 мс), а передаваемая информация может быть самым причудливым образом закодирована в последовательности этих импульсов.
      Немало известных ученых в прошлом пытались объяснить механизм распространения возбуждения по нерву. Исаак Ньютон на страницах своей знаменитой «Оптики», изданной в 1704 г., выдвинул предположение, что нерв обладает свойствами оптического световода. Поэтому «вибрации эфира, возникающие в мозгу усилием воли, могли бы распространяться оттуда по твердым, прозрачным и однородным капиллярам нервов в мышцы, заставляя их сокращаться или расслабляться». Основоположник русской науки, первый русский академик М. В. Ломоносов считал, что распространение возбуждения по нерву происходит благодаря передвижению внутри него особой «весьма тонкой нервной жидкости». Интересно, что скорость распространения возбуждения по нерву была впервые измерена известным немецким физиком, математиком и физиологом Германом Гельмгольцем в 1850 г., год спустя после того, как И. Физо измерил скорость света.
      Почему же нервный импульс может распространяться? От каких характеристик нервного волокна зависит скорость распространения по нему импульса?
      Для того чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим электрические свойства нервного волокна. Оно представляет собой цилиндр, боковую поверхность которого образует мембрана, отделяющая внутренний раствор электролита от наружного. Это придает волокну свойства коаксиального кабеля, изоляцией которого служит клеточная мембрана. Но нервное волокно — очень плохой кабель. Сопротивление изоляции этого живого кабеля примерно в 105 раз меньше, чем у обычного кабеля, так как в первом случае ее толщина составляет 10“6 см, а во втором — около 10“1 см. Кроме того, внутренняя жила живого кабеля — это раствор электролита, удельное сопротивление которого в миллионы раз больше сопротивления металла. Поэтому невозбужденное нервное волокно плохо приспособлено для передачи электрических сигналов на большие расстояния.
      Можно показать, что напряжение на мембране такого волокна будет экспоненциально уменьшаться по мере удаления от источника напряжения (рис. 8). Величина X, входящая в показатель экспоненты и определяющая степень затухания электрического сигнала в нервном волокне, называется «постоянной длины» волокна. Значение постоянной длины зависит от диаметра волокна d, сопротивления единицы площади его мембраны гт и удельного сопротивления жидкости внутри волокна г,-. Эта зависимость имеет вид
      В выражение (2) не входит удельное сопротивление среды, окружающей волокно, так как в большинстве случаев размеры окружающей проводящей жидкости во много раз превышают диаметр волокна и внешний раствор можно считать эквипотенциальным.
      Используя уравнение (2), можно найти значения X для хорошо изученных нервных волокон краба или кальмара, имеющих d к 0,1 мм, гт к 1000 Ом-см2 и г; « 100 Ом-см. Подстановка этих значений дает X « 0,2 см. Это означает, что на расстоянии 0,2 см от тела клетки амплитуда нервного импульса должна уменьшиться почти в 3 раза, хотя длина нервных волокон у этих животных может достигать нескольких сантиметров.
      Но на самом деле этого не происходит, и нервный импульс без уменьшения амплитуды распространяется по всему волокну, и вот почему. Раньше мы показали, что увеличение на 20 — 30 мВ потенциала внутриклеточного раствора по отношению к наружному приводит к дальнейшему его росту и возникновению нервного импульса в данной области клетки. Из наших расчетов вытекает, что если в начале волокна возникает нервный импульс с амплитудой 0,1 В, то на расстоянии X напряжение на мембране еще будет оставаться больше 30 мВ, так что и здесь возникает нервный импульс; затем то же самое происходит в следующем участке волокна и так далее. Поэтому распространение импульса по нервному волокну можно сравнить с распространением пламени по бикфордову шнуру, но следует отметить, что в первом случае необходимую энергию доставляет разность концентраций ионов калия и натрия по обе стороны мембраны, а во втором — сгорание легко воспламеняющейся изоляции шнура.
      Очевидно, что чем больше значение постоянной длины, X, тем скорее сможет распространяться нервный импульс. Так как значения гт и г; почти одни и те же у различных клеток и животных, то получается, что X, а следовательно, и скорость распространения импульса, должны зависеть в основном от диаметра волокна, увеличиваясь пропорционально квадратному корню из его величины. Этот наш вывод полностью согласуется с результатами экспериментов. Гигантское (диаметром около 0,5 мм) нервное волокно кальмара может служить примером того, как Природа воспользовалась зависимостью скорости распространения нервного импульса от диаметра волокна. Известно, что кальмар при бегстве от опасности использует свой «реактивный двигатель», выталкивая из мантийной полости большую массу воды. Сокращение мускулатуры, приводящей в движение этот механизм, запускается нервными импульсами, распространяющимися по нескольким таким гигантским волокнам, в результате чего достигается большая скорость реакции и одновременность срабатывания всей этой мускулатуры.
      Однако использовать такие гигантские волокна во всех областях нервной системы, где требуется быстрота реакции и анализа поступающей информации, невозможно, так как они заняли бы слишком много места. Поэтому для более развитых животных Природа избрала совсем другой путь увеличения скорости распространения возбуждения.
     
      Перехваты Ранвье
      На рис. 9 схематически показано нервное волокно (разрез вдоль оси), наиболее типичное для нашей нервной системы. Это волокно по всей своей длине разделено на сегменты длиной около 1 мм каждый, на протяжении которых волокно со всех сторон покрыто миелином — жироподобным материалом, обладающим хорошими изоляционными свойствами. Между сегментами, на участке длиной около 1 мкм мембрана этого волокна имеет непосредственный контакт с внешним раствором. Эта область, где исчезает миелиновая оболочка, носит название «перехват Ранвье».
      Рис. 9. Миелинизированное нервное волокно. Показан разрез волокна вдоль оси. Точками изображено внутреннее содержимое волокна, ограниченное возбудимой мембраной
      К чему должна приводить такая структура нервного волокна? Как следует из формулы (2) для постоянной длины Я, при увеличении сопротивления единицы площади мембраны (гт) величина Я тоже должна возрасти, а вместе с ней — и скорость распространения импульса. Это позволяет увеличить последнюю почти в 25 раз по сравнению с немиелинизированным волокном того же диаметра. Кроме того, затраты энергии на распространение возбуждения по миелинизированному волокну гораздо меньше, чем по обычному, так как общее количество ионов, пересекающих мембрану, в первом случае пренебрежимо мало. Таким образом, миелинизированное волокно представляет собой высокоскоростной и экономичный канал связи в нервной системе.
     
      А что снаружи?
      Мы установили причины возникновения разности потенциалов на мембране живых клеток и рассмотрели процесс распространения импульса по нервному волокну. Все электрические явления, о которых идет речь, протекают только на мембране клеток. Но что же тогда регистрировал Э. Дюбуа-Реймон в 1843 г. с помощью простейшего гальванометра, присоединив его к нерву? Так как микроэлектроды стали использовать лишь сто лет спустя, это значит, что его гальванометр регистрировал электрическое поле в окружающем нерв растворе.
      Рассматривая кабельные свойства волокна, мы для простоты считали наружный раствор электролита эквипотенциальным. Действительно, падение напряжения в наружном растворе должно быть в сотни раз меньше падения напряжения внутри волокна из-за гораздо больших размеров внешнего проводника (раствора). Тем не менее при достаточном усилении электрическое поле можно всегда обнаружить вокруг возбужденной клетки или органа, особенно тогда, когда все клетки данного органа возбуждаются одновременно. Таким органом, в котором все клетки возбуждаются почти одновременно, является наше сердце. Как и все остальные внутренние органы, оно окружено со всех сторон электропроводящей средой (удельное сопротивление крови ~ 100 Ом см). Поэтому при каждом возбуждении сердце окружает себя электрическим полем. С проявлением этого пульсирующего во времени электрического поля мы сталкиваемся, когда приходим в поликлинику в электрокардиографический кабинет, где измеряют разности потенциалов между различными точками поверхности нашего тела, возникающие при сокращениях сердца (электрокардиограмма).
     
      Живые молнии
      Первыми известными человеку проявлениями «животного электричества» были разряды электрических рыб. Электрического сома изображали еще на древнеегипетских гробницах, а «электротерапию» с помощью этих рыб рекомендовал Гален (130 — 200 гг. н. э.), проходивший врачебную практику на гладиаторских боях в Древнем Риме.
      Интересный рецепт электролечения с помощью электрического ската был написан врачом римского императора Клавт дия в I веке н. э. Дословно он звучит так: «Головная боль, даже если она хроническая и непереносимая, исчезает, если живого черного ската поместить на болезненную точку и держать его там до тех пор, пока боль не прекратится». Аналогичный рецепт существовал и для лечения подагры: «При любом типе подагры, когда начинаются боли, живого черного ската следует положить под ноги. При этом пациент должен стоять на влажном песке, омываемом морской водой, находясь в таком состоянии до тех пор, пока вся его нога ниже колена не онемеет». В те же времена было замечено, что удар ската может проходить через железные копья или палки, смоченные морской водой, и поражать таким образом людей, непосредственно не соприкасающихся с ним.
      Как известно, некоторые рыбы способны производить очень сильные электрические разряды, обездвиживая (парализуя) других рыб и даже животных размером с человека. Древние греки, верившие, что электрический скат может «зачаровывать» как
      рыб, гак и рыбаков, называли его «нарке», что означает в переводе с греческого — приводящая в оцепенение, «поражающая» рыба. Слово «наркотик» имеет то же происхождение.
      До появления электрической теории наибольшим успехом пользовалась теория, объяснявшая удар ската как механическое воздействие. Среди сторонников этой теории был французский естествоиспытатель Р. Реомюр, именем которого названа одна из температурных шкал. Реомюр полагал, что орган ската, с помощью которого он производит удар, представляет собой мышцу, способную сокращаться с высокой частотой. Поэтому прикосновение к такой мышце может вызывать временное онемение конечности так, как это, например, бывает после резкого удара по локтю.
      Только в конце XVIII века были поставлены опыты, показавшие электрическую природу удара, наносимого скатом. Немаловажную роль в этом сыграла и лейденская банка — основная электрическая емкость того времени. Те, кому довелось испытать на себе разряды лейденской банки и ската, утверждали, что по своему действию на человека они очень сходны между собой. Так же как и разряд лейденской банки, удар ската может одновременно поражать нескольких людей, держащих друг друга за руки, один из которых касается ската.
      Последние сомнения относительно природы удара ската исчезли в 1776 г., когда удалось продемонстрировать, что при определенных условиях этот удар может вызвать электрическую искру. С этой целью в сосуд, где плавала рыба, частично погружали две металлические проволоки, оставляя воздушный зазор между ними как можно меньше. Кратковременное закорачивание проволок привлекало внимание рыбы, и она, подплывая к проволокам, подвергала их электрическому удару, одновременно с которым между проволоками иногда проскакивали искры. Чтобы лучше видеть искру, опыты ставили ночью. Вскоре после этих опытов в некоторых лондонских газетах появилась реклама, в которой всего за 2 шиллинга и 6 пенсов вам предлагали устроить встряску, пропустив через вас разряд электрической рыбы. Горячим сторонником использования электролечения был один из основоположников теории электричества Б. Франклин. Поэтому в медицине использование статического электричества до сих пор называют «франклинизацией».
      К началу XIX века было уже известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух. Следует отметить, что в XVIII — XIX веках электрические рыбы часто использовались учеными-физиками как источники электрического тока. Например, М. Фарадей, изучая разряды электрического ската, показал, что «животное электричество» по сути ничем не отличается от других «видов» электричества, которых в его время насчитывалось пять: статическое (получаемое трением), термическое, магнитное, химическое и животное. Фарадей считал, что если бы удалось понять природу «животного электричества», то можно было бы «превращать электрическую силу в нервную».
      Самые сильные разряды производит южноамериканский электрический угорь. Они достигают 500 — 600 В. Импульсы электрического ската могут иметь напряжение до 50 В и разрядный ток более 10 А, так что их мощность часто превышает 0,5 кВт. Все рыбы, дающие электрические разряды, используют для этого специальные электрические органы. У «высоковольтных» электрических рыб, таких, как морской электрический скат и пресноводные электрический угорь и сом, эти органы могут занимать значительную часть объема тела животного. Например, у электрического угря они идут почти вдоль всей длины тела, составляя около 40% всего объема рыбы.
      Схема электрического органа представлена на рис. 10. Он состоит из электрощитов — сильно уплощенных клеток, упакованных в столбики. К мембране одной из двух плоских сторон электроцита подходят окончания нервных волокон (иннервированная мембрана), а на другой стороне их нет (неиннервирован-ная мембрана). Электроциты собраны в столбик так, что они обращены друг к другу разноименными мембранами. В состоянии покоя разность потенциалов на обеих мембранах электроцита одинакова и близка к — 80 мВ (внутренняя среда клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной). Поэтому между внешними поверхностями обеих мембран электроцита разность потенциалов отсутствует.
     
      Напряженность влектрическово поля
      Электроциты;
      Рис. 10. Схема электрического органа рыбы
      Когда к электроциту по нерву приходит импульс (такие импульсы приходят практически одновременно ко всем электро-цитам органа), то из нервных окончаний выделяется анетилхолин который, воздействуя на иннервированную мембрану электронита, увеличивает ее проницаемость для ионов натрия и некоторых других ионов, что приводит к возбуждению этой мембраны. При возбуждении напряжение на иннервированной мембране электронита меняет знак и достигает ~ 70 мВ, а разность потенциалов между внешними поверхностями одного и того же электронита становится ~ 150 мВ. Поскольку элек-трониты собраны в столбик, напряжение между крайними клетками в столбике будет пропорционально их числу.
      В электрическом органе электрического угря количество электронитов в одном столбике может достигать 5 — 10 тысяч, что и объясняет большое напряжение разряда этих рыб. Значение разрядного тока определяется количеством таких столбиков в электрическом органе. У электрического ската на каждом плавнике находится 45 таких столбиков, у электрического угря — около 70 на каждой стороне тела. Для того чтобы ток, генерируемый электрическим органом, не проходил через саму рыбу, орган окружен изолирующей тканью с высоким удельным сопротивлением и контактирует только с внешней средой.
      Однако среди электрических рыб есть и такие, которые используют свой электрический орган не для нападения или защиты, а для поиска жертвы. Это акулы, миноги и некоторые сомообразные, обладающие очень высокой чувствительностью к внешнему электрическому полю. Известно, что свободно плавающая акула обладает способностью находить скрытую в песке камбалу, основываясь исключительно на восприятии биоэлектрических потенциалов, возникающих при дыхательных движениях добычи.
      Электрический орган у рыб, обладающих высокой чувствительностью к внешнему электрическому полю, работает с частотой несколько сотен герц и может создавать на поверхности тела животного колебания разности потенциалов в несколько вольт. Это приводит к возникновению электрического поля, которое улавливается специальными органами так называемой боковой линии — электрорецепторами (рис. 11). Электрорецепторы этих рыб обладают удивительной чувствительностью к напряженности электрического поля и посылают нервные импульсы в мозг животного, когда значение напряженности превышает 10 мкВ/м. Так как находящиеся в воде вокруг рыбы предметы отличаются по своей электропроводности от воды, они искажают электрическое поле. По этим искажениям поля
      рыбы могут ориентироваться в мутной воде и находить добычу.
      Интересно отметить, что почти у всех рыб, использующих свои электрические органы для ориентирования, хвост остается во время плавания практически неподвижным. В отличие от
      остальных рыб, они движутся в воде исключительно за счет волнообразных движений развитых боковых (электрический скат) или спинного (нильская щука) плавников. Так как электрический орган у этих рыб расположен в хвостовой части тела, а электрорецепторы — в средней, то при таком способе плавания напряженность электрического поля в области электрорецепторов зависит только от электропроводности окружающей среды.
      .Японские исследователи обнаружили, что сом непосредственно перед сильным землетрясением становится необычайно чувствителен к слабым механическим возмущениям, если аквариум, в котором он находится, связан протоком с естественным водоемом. Это объясняется тем, что между точками земной коры в период предшествующий землетрясению, возникают разности потенциалов, воспринимаемые сомом. Напряженность электрических полей, возникающих часто за 8 часов до начала землетрясения, может достигать 300 мкВ/м, что более чем в 10 раз превышает порог чувствительности этой рыбы.
      Интересно, что около двух тысяч лет назад в Японии появилась легенда, согласно которой сом может проникать под землю и, двигаясь там, вызывать землетрясения. С тех пор сом ассоциируется в Японии с сейсмическими явлениями. Однако только в XX веке поведение животных перед землетрясением привлекло внимание японских сейсмологов. Сейчас биологические методы предсказания землетрясений получили большое развитие.
      Известно, что рыбы, находящиеся в аквариуме, через который пропускают постоянный ток, плывут по направлению к аноду и, не достигая его, вдруг останавливаются парализованные. Падение напряжения на длине рыбы при этом должно
      Рис. 11. Распределение эквипотенциальных линий электрического поля вокруг рыбы, обладающей электрическим органом. Заштрихованный предмет имеет электропроводность меньше, чем окружающая среда. Видно, что напряженность электрического поля вблизи боковой поверхности рыбы со стороны предмета отличается от таковой с противоположной стороны составлять около 0,4 В. После выключения тока рыбы могут «ожить» и снова плавать. Если же падение напряжения увеличить до 2 В, рыба цепенеет и погибает. Привлекательная сила анода успешно используется при электрической ловле рыбы. В то же время электрический ток отпугивает тех рыб, которые имеют к нему повышенную чувствительность (например, акулы). Ученые провели ряд опытов с так называемым «электрическим ограждением», проверяя его воздействие на акул. Установлено, что ток, пропущенный между двумя электродами, служит преградой для акул и практически не ощутим для находящегося рядом человека.
     
      Электричество у растений
      Растения прочно закреплены в земле своими корнями и поэтому часто служат образцом неподвижности («Что ты стоишь, как дуб?»). Это представление не совсем верно, так как все растения способны к медленным «ростовым изгибам», необходимым для того, чтобы адаптироваться к освещению и к направлению силы тяжести. Такие движения обусловлены неодинаковой скоростью роста различных сторон какого-либо органа. Кроме того, некоторые растения совершают суточные периодические движения — складывают и раскрывают свои листья и лепестки цветков. Другие растения обладают еще более заметной двигательной активностью и реагируют быстрыми движениями на разнообразные внешние факторы — свет, химические вещества, прикосновение, вибрацию. Такая «чувствительность» помогла мимозе стыдливой войти в поговорки, ведь стоит лишь слегка коснуться ее, как мелкие листочки складываются и опускается основной черешок. К быстрым реакциям способны также различные насекомоядные растения и усики лиан.
      Каким образом происходят у растений столь быстрые движения? Решающую роль здесь играют электрические процессы, происходящие в клетках. Оказалось, что в клетке растения, так же как в нервной или мышечной клетке животного, между внутренней и наружной поверхностями мембраны имеется разность потенциалов около — 100 мВ, обусловленная различным ионным составом внутриклеточной и внеклеточной среды, а также неодинаковой проницаемостью мембраны для этих ионов. При действии перечисленных выше внешних раздражителей мембрана растительной клетки возбуждается — возрастает ее проницаемость для одного из катионов (как правило, для кальция). В результате напряжение на мембране уменьшается почти до нуля, но вскоре опять восстанавливается до исходно-
      го значения. Длительность такого потенциала действия может достигать нескольких десятков секунд (рис. 12), и он может распространяться от одной клетки к другой так же, как это происходит с нервным импульсом, но с гораздо меньшей скоростью. Например, по черешку мимозы потенциал действия
      распространяется со скоростью около 2 см/с, а по листу насекомоядного растения венериной мухоловки — со скоростью 10 см/с.
      Восстановление исходного напряжения на мембране растительной клетки после ее возбуждения происходит вследствие того, что в мембране открываются дополнительные калиевые каналы, закрытые в состоянии покоя. Увеличение калиевой проницаемости мембраны приводит к выходу из клетки некоторого количества ионов калия (внутри калия больше, чем снаружи) и восстановлению нормальной разности потенциалов. Полагают, что выход ионов калия из растительной клеткн при ее возбуждении происходит не только из-за увеличения калиевой проницаемости ее мембраны, но и по другим, мало изученным причинам. Таким образом, каждое возбуждение растительной клетки сопровождается уменьшением на некоторое время концентрации ионов калия внутри клетки и увеличением ее снаружи, что и является причиной двигательной реакции.
      Для того чтобы понять, К чему приводит изменяющаяся концентрация ионов внутри растительной клетки, можно поставить следующий опыт. Возьмите обычную поваренную соль и насыпьте ее в мешочек, не проницаемый для соли, но проницаемый для воды (например, целлофан). Опустите мешочек с солью в кастрюлю с водой. Вы скоро увидите, что мешочек разбухнет. Произойдет это потому, что вода будет проникать внутрь мешка, пытаясь уравнять осмотические давления внутри и снаружи мешка, пропорциональные концентрации растворенных ионов. В результате увеличивающееся гидростатическое давление внутри мешка может разорвать его.
      Живые растительные клетки — это концентрированные растворы солей, окруженные мембраной, очень хорошо проницаемой для воды. Придя в соприкосновение с обычной водой, эти клетки разбухают так, что давление внутри них может достигать 5 10б Па. Значение внутриклеточного давления и степень разбухания растительной клетки зависят от концентрации растворенных в ней ионов. Поэтому уменьшение концентрации ионов калия внутри клетки во время возбуждения сопровождается падением внутриклеточного давления.
      Представим теперь, что один из листовых черешков состоит из двух продольно расположенных групп клеток (рис. 13), а возбуждение охватывает только нижнюю группу клеток. При возбуждении нижняя часть черешка частично спадается, и набухшая верхняя его часть изгибает черешок. По такому же механизму может происходить движение и других частей растения. И всегда при этом электрические сигналы, распространяющиеся по растению, служат, как и у животных, важным способом связи между различными клетками, координируя их активность.
     
      Имеют ли животные магнитный компас?
      Да, имеют. Хотя мы сами не ощущаем окружающего нас магнитного поля, многие животные способны реагировать даже на малые его изменения. Так, например, лесные мыши могут ориентироваться в лесу по направлению магнитного поля. Доказали это следующим образом. Мышь, пойманную в парке, сразу же помещали в специальный герметичный контейнер, снабженный двумя катушками электромагнита. Катушки электромагнита были расположены так, что, пропуская ток через них, можно было менять направление магнитного поля в контейнере на обратное. Спустя 2 минуты после поимки мыши ее переносили в таком контейнере на 40 метров к северу от места поимки и выпускали, наблюдая, в какую сторону она будет двигаться в течение следующих 4 минут. Оказалось, что если во время переноса мыши катушки электромагнита были обесточены, то среднее направление движения мыши после ее освобождения совпадало с направлением к месту ее поимки. Если же направление вектора индукции магнитного поля в контейнере меняли на обратное, то после освобождения мышь двигалась в противоположную сторону.
      Интуиция нам подсказывает, что птицы должны получать наибольшую пользу от магнитного чувства. Действительно, во время длинных миграционных перелетов птицы сталкиваются со значительными навигационными проблемами — ведь перелеты из-за опасности нападения хищников, как правило, происходят по ночам, да и облачная погода никогда не служит перелетным птицам помехой. Однако исследовать магнитное чувство у перелетных птиц не очень удобно, так как они пользуются этим чувством лишь дважды в год. Более удобный объект для изучения магнитного чувства — почтовый голубь, который, будучи увезен от своей голубятни на десятки, а иногда и сотни километров, безошибочно находит дорогу домой.
      Укрепив миниатюрный радиопередатчик на теле птицы, можно проследить весь маршрут голубя от того места, где его выпустили, до голубятни. Оказалось, что большую часть времени почтовые голуби летят по прямой так, как будто они видят свою голубятню, отстоящую от них на многие сотни километров. Только в первые три минуты, решая, в какую сторону лететь, голуби часто меняют направление полета. То же происходит и тогда, когда до голубятни остается 2 — 5 км.
      То, что поиск нужного направления полета у почтовых голубей не связан с их зрением, демонстрируют результаты опытов, в которых глаза птиц закрывали специальными матовыми стеклами. После этого голуби по-прежнему выбирали верное направление, хотя могли только отличать день от ночи. Такие «слепые» голуби, естественно, не могли влететь в свою голубятню, а, приближаясь к ней на расстояние нескольких километров, либо вообще прекращали полет, либо начинали беспорядочно перелетать с места на место. Так же как и перелетные птицы, почтовые голуби могут безошибочно находить дорогу домой ночью или в облачную погоду.
      Какие же эксперименты окончательно убедили ученых в том, что птицы, ориентируясь в длительных полетах, используют свое магнитное чувство? В 1971 г. американский биолог В. Китэн укрепил небольшой магнит на голове почтового голубя. после чего этот голубь уже не смог находить дорогу домой. Следует отметить, что точно такой же по массе и размерам предмет, но не обладающий ферромагнитными свойствами, не мешал птице находить свою голубятню.
      В следующих опытах на голове голубя укрепляли уже катушку, через которую можно было пропускать ток и таким образом менять знак вертикальной составляющей магнитного поля Земли, которая, как известно, в северном полушарии направлена вниз, а в южном — вверх. Эти опыты показали, что такое изменение магнитного поля приводит к изменению направления полета голубя на 180°.
      Но ведь известно, что магнитное поле Земли подвержено сильным колебаниям, поскольку оно имеет два источника. Первый — это собственно Земля, представляющая собой огромный магнит, а второй, относительно более слабый, — потоки заряженных частиц (ионов) в верхних слоях атмосферы. Суточные колебания температуры атмосферы приводят к соответствующим изменениям ионных потоков в атмосфере. В результате этот компонент магнитного поля Земли в течение суток претерпевает колебания с амплитудой (З-нб)-Ю-8 Тл, что составляет около 0,1 % среднего значения индукции магнитного поля (5-10-5 Тл). Однако иногда мы бываем свидетелями более значительных изменений магнитного поля, связанных с увеличением солнечной активности. Вспышка солнечной активности приводит к росту концентрации ионов в атмосфере, а это в свою очередь — к увеличению соответствующего компонента магнитного поля. Амплитуда таких непредсказуемых резких изменений магнитного поля Земли, называемых «магнитными бурями», может составлять более 106 Тл.
      Исследования показали, что во время магнитных бурь навигационные способности почтовых голубей значительно ухудшаются. Точно такие же затруднения испытывают птицы, когда на обратном пути им встречаются магнитные аномалии, т. е. те места, где индукция магнитного поля Земли резко изменяется (иногда более чем на 10_6 Тл) на протяжении нескольких километров. И, если амплитуда такой аномалии, встретившейся на пути голубя, составляет более 5-10“6 Тл, .птица полностью теряет способность ориентироваться.
      Еще большей чувствительностью к магнитному полю обладают пчелы. Пчеловоды знают, что дикие пчелы ориентируют соты точно так же (относительно направления «север — юг»), как они были ориентированы в родительском улье. Если же новый улей поместить в сильное магнитное поле, то ориентация сот нарушится. Поэтому считается, что способность пчел чувствовать магнитное поле Земли помогает им координировать строительные работы в новом улье.
      Другим следствием способности пчел улавливать изменения индукпии магнитного поля является четкая временная организация работы в улье. Действительно, как могут эти насекомые с точностью до 15 минут поддерживать 24-часовой период, через который они вылетают из улья за взятком? Даже в те дни, когда погода неблагоприятна и пчелы вынуждены круглосуточно находиться в улье, этот ритм не сбивается. Однако стоит резко изменить магнитное поле в улье, и периодичность вылета пчел из ульев нарушается. Ученые пришли к выводу, что фактором, согласующим активность всех рабочих пчел в улье, является изменяющееся с 24-часовым периодом магнитное поле Земли (см. выше). Наибольшая скорость изменения магнитного поля приходится на полдень и составляет более 3 10“10 Тл в минуту. Эти резкие изменения магнитного поля и служат, по-видимому, для всех рабочих пчел условным сигналом для вылета.
      Каким же образом голуби и пчелы могут измерять индукцию магнитного поля? В технике индукцию магнитного поля измеряют в основном с помощью двух методов. В первом измеряют э. д. с., возникающую между концами проводника, движущегося в этом поле, а во втором — механический момент, с которым поле стремится развернуть магнит параллельно своим силовым линиям. Первый из этих способов применяют акулы и скаты, используя в качестве электроизмерительного прибора электрорецепторы, расположенные в их боковой линии. При движении в магнитном поле между противоположными концами тела этих рыб генерируется э. д. с., приводящая к возникновению электрического тока в окружающей морской воде. Эти рыбы с помощью электрорецепторов способны таким образом улавливать направление магнитного поля Земли, двигаясь со скоростью всего 1 см/с. Однако до сих пор неизвестно, используют ли они свою способность чувствовать магнитное поле для навигационных целей.
      Как было сказано выше, прикрепление постоянного магнита к голове почтового голубя резко уменьшало его способность ориентироваться в облачную погоду. Очевидно, что постоянное магнитное поле, передвигающееся вместе с голубем, не должно (в соответствии с законом Фарадея) изменять э. д. с. индукции, возникающей при движении птицы через линии магнитного поля Земли. Поэтому маловероятно, что при ориентировании почтовые голуби используют ту же методику, что акулы и скаты. Отсутствие электрорецепторов у птиц и пчел также делает невозможным измерение магнитного поля с помощью этой мето-
      дики. Кроме того, ее применение затруднено из-за очень большого (по сравнению с морской водой) удельного электрического сопротивления воздуха.
      Для использования второй методики измерения магнитного поля в теле животного должны находиться постоянные магниты. Действительно, в последние 20 лет крошечные постоянные магниты были обнаружены у многих видов животных (от бактерий до человека). Раньше всего ферромагниты были обнаружены в теле хитонов — маленьких морских моллюсков, которые добывают себе пищу, соскабливая водоросли с камней. Оказалось, что большая часть зубов этих моллюсков состоит из кристаллов магнетита (Fe0-Fe203), который является одним из самых твердых веществ, образующихся в живых организмах. Кстати, этот моллюск, так же как и голуби, обладает способностью безошибочно находить дорогу домой. Считается, что делает он это с помощью своих магнитных зубов.
      Вскоре после открытия магнитных зубов у морских моллюсков обнаружили, что некоторые виды бактерий ориентируются и преимущественно плавают вдоль линий магнитного поля, даже если оно составляет не более 10“5 Тл. Внутри этих бактерий было найдено железо, за что они и получили свое название — железобактерии. Железобактерии, имеющие размеры в несколько микрометров, содержат в себе железо в виде кристаллов размером около 0,1 мкм. Исследование показало, что своим поведением в магнитном поле эти бактерии напоминают однодоменные ферромагнетики.
      При определенных условиях можно вырастить целую колонию железобактерий. Эти бактерии начинают накапливать внутри себя железо, когда концентрация кислорода в окружающей среде уменьшается. Если концентрация железа в среде соответствует его концентрации в болотной воде (1,6 мг/л), то бактерии накапливают так много железа, что оно составляет около 1,5% их сухой массы. При этом каждая железобактерия содержит около 20 кристаллов магнетита, расположенных в виде цепочки. Вычисления показали, что магнитный момент М такой бактерии, составляющий 1,3 -10“8 эрг/Тл, достаточен для ориентации в магнитном поле Земли (В = 5-10“5 Тл) при комнатной температуре (300 К), так как его энергия ВМ = = 6,5-10“13 эрг больше соответствующей тепловой энергии кТ = 4,1. ю-14 эрг. Очевидно, что ориентация таких простейших одноклеточных организмов в магнитном поле представляет собой чисто пассивный процесс и не зависит от «желания» бактерий. Поэтому мертвые бактерии, так же как и живые, ориентируются вдоль линий магнитного поля Земли.
      Железобактерии широко распространены в природе. Во многих водоемах они составляют более половины всего бакте-риопланктона, а в почвах — до 20 % микрофлоры. Долгое время оставалось неясным, для чего железобактериям нужно железо. В природных условиях в результате жизнедеятельности этих бактерий иногда происходит засорение водопроводных труб из-за того, что в трубах оседает и накапливается нерастворимый в воде гидрат окиси железа — его производят железобактерии. Какую роль выполняют ионы железа в жизни этих бактерий? В пропессе жизнедеятельности в бактериях накапливается перекись водорода. Перекись — это сильнейший окислитель, она действует на бактерии как яд. В присутствии железа окисляющее действие перекиси направляется на металл, а не на бактерию. Таким образом, роль железа сводится к нейтрализации токсичной для бактерий перекиси водорода.
      Из-за огромного количества клеток поиск ферромагнитных материалов у крупных животных с помощью одной лишь микроскопической техники невозможен. Для этого используют магнитометр, обычно применяемый геологами для оценки содержания магнитных руд в горных породах. Современный вариант такого прибора состоит из проволочной катушки, погруженной в жидкий гелий, и амперметра, измеряющего ток через ее витки. При такой низкой температуре металл, из которого сделаны витки катушки, переходит в сверхпроводящее состояние, а ее электрическое сопротивление падает практически до нуля. Если внести внутрь этой катушки постоянный магнит, то в соответствии с законом Фарадея в ней возникает электрический ток, величина которого при прочих равных условиях будет пропорциональна остаточной намагниченности образца и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению катушки. Близкое к нулю сопротивление катушки позволяет подобным приборам обнаруживать в образцах магнитные примеси, состоящие всего из 104 доменов ферромагнетика.
      С помощью магнитометра было измерено количество магнетита, содержащегося в одной пчеле, которое оказалось близким к 10б доменам. Все эти кристаллы магнетита расположены в передней части брюшка насекомого. Аналогичные измерения образцов различных участков тела почтового голубя позволили обнаружить крупные магнитные частицы размером до 0,1 мм, расположенные в мышцах шеи. Было замечено, что вокруг этих магнитных частиц, как правило, сосредоточено много чувствительных нервных окончаний. Считается, что изменение направления полета птицы относительно силовых линий магнитного поля должно приводить к деформации тканей, окружаю-
      ших магнитную частицу. Эта деформация улавливается нервными окончаниями и передается в головной мозг птицы, где и происходит анализ направления полета.
      Довольно часто в периодической печати появляются сообщения о массовой гибели китов или дельфинов, выбросившихся на берег в том или другом месте мирового океана. Известно что китообразные, так же как и птицы, при миграциях руководствуются направлением силовых линий магнитного поля, используя для этого магнитные частицы, обнаруженные в передней части их головы. При этом в тропических широтах, где индукция магнитного поля Земли относительно мала, миграция происходит, как правило, в направлении «север — юг». Изучение геомагнитных характеристик районов массовой гибели китообразных показало, что большинство из них совпадает с местами, где береговая черта океана ориентирована почти перпендикулярно к линиям магнитного поля. Поэтому полагают, что причиной выбрасывания на берег мигрирующих китообразных является их неспособность (в некоторых случаях) отказаться вовремя от ориентации по магнитному компасу и прибегнуть к помощи остальных органов чувств.
      Изучение способности птиц к ориентации привело ученых к заключению, что мигрирующие птицы могут определять направление полета не только с помощью своего магнитного компаса, но также анализируя положение Солнца или звезд на небе. По-видимому, солнечным и звездным компасами птицы пользуются при полетах в безоблачную погоду, а в тех случаях, когда положение небесных светил определить трудно, они переходят на магнитный способ ориентации. Какому же компасу птицы доверяют больше? Какой из трех компасов является врожденным?
      Мысль о существовании у мигрирующих птиц врожденного компаса возникла не так давно. Раньше ученые думали, что птицам нет необходимости иметь врожденный компас, дающий направление миграционного полета, так как свой первый полет птенцы совершают вместе со взрослыми птицами. В последующие же годы птицы могли уже мигрировать по памяти, используя развившееся к этому времени магнитное чувство и солнечный и звездный компасы. Но как же тогда объяснить способность кукушат первого года жизни, высиженных в чужих гнездах и поэтому мигрирующих поодиночке, верно определять направление к местам зимовки? По-видимому, у каждого птенца мигрирующей птицы уже генетически заложено направление будущего полета.
      Для того чтобы убедиться в этом, шведские ученые поставили интересные опыты с мухоловками-пеструшками — перелетными птицами, зимующими на западном побережье Африки. Вылупившихся птенцов этих птиц переносили в помещение, где их держали два с половиной месяца до того, как они начинали летать. Ученые определяли направления первых коротких перелетов птенцов, и оказалось, что среднее направление этих полетов совпадает с направлением к местам их будущей первой зимовки (на запад).
      Та же группа ученых задалась целью найти врожденный алгоритм, указывающий птенцу направление миграционного полета. Они считали, что Природа, генетически закладывая направление миграционного полета, указывает его только для одной из систем ориентации (магнитной или солнечной). Поэтому для мухоловки-пеструшки возможен один из двух следующих алгоритмов:
      1. Если врожденным компасом является солнечный, то алгоритм может иметь вид: «В полдень определи проекцию Солнца на линию горизонта, повернись грудью к этой точке, а потом еще на 90° по часовой стрелке. В этом направлении и лети. Для того чтобы не сбиться в пути ночью и в облачную погоду, сразу же откалибруй свой магнитный компас по солнечному и определи, под каким углом к направлению силовых линий магнитного поля тебе надо лететь».
      2. Если врожденный компас магнитный, то программа может быть следующей: «Запомни, надо лететь под углом 90°, отсчитываемым против часовой стрелки от направления вектора магнитной индукции в месте вылупления. Чтобы не сбиться в пути во время магнитных бурь и над геомагнитными аномалиями, сразу же откалибруй свой солнечный компас по магнитному и выясни, в каком направлении по отношению к Солнцу надо лететь».
      Для того чтобы определить, какой именно алгоритм выбрала Природа и какой компас является врожденным, исследователи поместили на 12 дней только что вылупившихся птенцов в искусственное магнитное поле, вектор индукции которого имел то же значение, что и в данной точке геомагнитного поля, а направление сдвинуто к востоку на 90°. Спустя два месяца после этого уже в нормальном магнитном поле птицы начинали выполнять первые короткие перелеты в направлении мест будущих зимовок, и оказалось, что все они вместо того, чтобы лететь на запад, летят на север. Нетрудно догадаться, что именно так должны вести себя птенцы, пользующиеся алгоритмом 2 с врожденным магнитным компасом. Применение алгоритма 1, очевидно, должно было заставить птиц лететь на юг. Таким образом, способность мигрирующих птиц ориентироваться по магнитному полю является врожденной.
      В самое последнее время получены данные, на основании которых можно полагать, что и люди обладают способностью чувствовать магнитное поле. Исследование тканей человека позволило обнаружить в области его носа магнитные частицы, такие же по своей форме и составу, как и у других животных, обладающих магнитным чувством.
      Необычно высокой чувствительностью некоторых людей к изменениям магнитного поля Земли объясняют их умение обнаруживать подземные воды и рудные тела с помощью «чудесной лозы». Упоминания о таких «лозоходцах» доходят до нас через столетия. Для обнаружения подземных вод и рудных тел некоторых полезных ископаемых лозоходцы используют све-жевырезанную деревянную рогульку, имеющую вид латинской буквы Y. Во время поиска они ориентируют такую рогульку горизонтально, держа ее обеими руками за два симметричных конца. В тот момент, когда лозоходец проходит над рудным телом, массивным куском железа и т. п., рогулька в его руках начинает поворачиваться (вероятно, не без его участия), отклоняясь иногда на 90 — 120°.
      Как показали эксперименты, проведенные уже в наше время, умением находить неоднородности, скрытые под землей, обладают лишь около 20% людей. В этих же опытах было продемонстрировано, что отличительной чертой лозоходцев является их высокая чувствительность к изменениям магнитного поля. Так же как искусственный магнит мешал почтовому голубю ориентироваться, поднесение сильного магнита к голове лозоходца мешало его способности находить рудные тела.
      Природа сил, заставляющих рогульку вращаться в руках лозоходца, до сих пор окончательно не выяснена. Однако установлено, что металлические рогульки аналогичной формы в руках лозоходца поворачиваются на гораздо больший угол, чем деревянные, а иногда и совершают несколько оборотов.


      KOHEЦ ГЛАВЫ И ФPAГMEHTA КНИГИ

 

 

На главнуюТексты книг БКАудиокниги БКПолит-инфоСоветские учебникиЗа страницами учебникаФото-ПитерНастрои СытинаРадиоспектаклиДетская библиотека

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru