Cómo los tiburones usan la ley de Ohm y la teoría de la probabilidad

En 1951, el científico inglés Lissman estudió el comportamiento de los peces del gimnasio. Este pez vive en aguas opacas y opacas en los lagos y pantanos de África y, por lo tanto, no siempre puede usar la vista para orientarse. Lissman sugirió que estos peces, como los murciélagos, se usan para orientación ecolocalización.

La sorprendente capacidad de los murciélagos para volar en completa oscuridad, sin toparse con obstáculos, se descubrió hace mucho tiempo, en 1793, es decir, casi simultáneamente con el descubrimiento de Galvani. Lo hizo Lazaro Spallanzani - Profesor de la Universidad de Pavía (donde trabajaba Volta). Sin embargo, la evidencia experimental de que los murciélagos emiten ultrasonidos y son guiados por sus ecos se obtuvo solo en 1938 en la Universidad de Harvard en los EE. UU., Cuando los físicos crearon equipos para registrar ultrasonidos.

Después de probar experimentalmente la hipótesis ultrasónica de la orientación de la gimnasta, Lissman la rechazó. Resultó que el gimnasta está orientado de alguna manera diferente. Al estudiar el comportamiento de la gimnasta, Lissman descubrió que este pez tiene un órgano eléctrico y comienza a generar descargas de corriente muy débiles en agua opaca. Tal corriente no es adecuada ni para defensa ni para ataque. Entonces Lissman sugirió que el gimnasta debería tener órganos especiales para la percepción de los campos eléctricos. sistema de sensores.

Era una hipótesis muy audaz. Los científicos sabían que los insectos ven la luz ultravioleta, y muchos animales escuchan sonidos inaudibles para nosotros. Pero esto fue solo una ligera extensión del rango en la percepción de señales que las personas pueden percibir. Lissman permitió que existiera un tipo de receptor completamente nuevo.

La situación se complicó por el hecho de que la reacción de los peces a las corrientes débiles en ese momento ya era conocida. Fue observado en 1917 por Parker y Van Heuser en el bagre (todos los bagres parecen tener electrorreceptores). Sin embargo, estos autores dieron a sus observaciones una explicación completamente diferente. Decidieron que al pasar una corriente a través del agua, la distribución de iones cambia y esto afecta el sabor del agua. Tal punto de vista parecía bastante plausible: por qué crear algunos órganos nuevos, si los resultados pueden explicarse por órganos del gusto comunes y conocidos. Es cierto que estos científicos no probaron su interpretación de ninguna manera; no establecieron un experimento de control. Si cortan los nervios que provienen de los órganos del gusto, de modo que desaparezcan las sensaciones gustativas en los peces, encontrarán que la reacción a la corriente persiste. Habiéndose limitado a una explicación verbal de sus observaciones, pasaron un gran descubrimiento.

Lissman, por el contrario, ideó una variedad de experimentos y, después de una década de trabajo, probó su hipótesis. Hace unos 25 años, la existencia de electrorreceptores fue reconocida por la ciencia. Los electrorreceptores comenzaron a estudiarse, y pronto se encontraron en muchos peces marinos y de agua dulce (tiburones, rayas, bagres, etc.), así como en lampreas. Hace unos 5 años, se descubrieron dichos receptores en anfibios (salamandras y axolotl) y recientemente en mamíferos (ornitorrincos).

¿Dónde están ubicados los electrorreceptores y cómo están dispuestos?

Los peces (y anfibios) tienen mecanorreceptores de la línea lateral ubicados a lo largo del cuerpo y en la cabeza del pez; perciben el movimiento del agua en relación con el animal. Los electrorreceptores son otro tipo de receptor de la línea lateral. Durante el desarrollo embrionario, todos los receptores de la línea lateral se desarrollan desde la misma área del sistema nervioso que los receptores auditivos y vestibulares. Entonces los murciélagos auditivos y los electrorreceptores de peces son parientes cercanos.

En diferentes peces, los electrorreceptores tienen una localización diferente: están ubicados en la cabeza, en las aletas, a lo largo del cuerpo (a veces en varias filas), así como en una estructura diferente. A menudo, las células electroreceptoras forman órganos especializados. Consideramos aquí uno de esos órganos encontrados en tiburones y rayas: la ampolla Lorencini (este órgano fue descrito por el científico italiano Lorencini en 1678).

Lorencini pensó que las ampollas son glándulas que producen moco de pescado (aunque no excluyeron otras posibilidades). La ampolla de Lorenzini es un canal subcutáneo, un extremo del cual está abierto al ambiente externo (a veces se llama su entrada), y el otro termina con una extensión opaca (ampolla); la luz del canal está llena de una masa gelatinosa; Las células del electroreceptor se alinean en una fila en el "fondo" de la ampolla.

Es interesante (de hecho, una ironía del destino) que Parker, quien notó por primera vez que los peces reaccionan a las débiles corrientes eléctricas, también estudió las ampollas de Lorenzini, pero les atribuyó funciones completamente diferentes. Descubrió que empujando la varita en la entrada externa del canal ("poro"), se puede causar una reacción de tiburón (por ejemplo, un cambio en la frecuencia de los latidos del corazón).

A partir de tales experimentos, concluyó que la ampolla de Lorenzini es un manómetro para medir la profundidad de inmersión de los peces, especialmente porque la estructura del órgano era similar a un manómetro. Pero esta vez, la interpretación de Parker resultó ser errónea. Si coloca un tiburón en una cámara de presión y crea una mayor presión en él (simulando un aumento en la profundidad de inmersión), la ampolla Lorencini no responde, y esto puede hacerse sin experimentar: el agua presiona desde todos los lados y no tiene ningún efecto). Y a la presión solo sobre el poro en la gelatina que lo llena, surge una diferencia de potencial, similar a cómo surge una diferencia de potencial en un cristal piezoeléctrico (aunque el mecanismo físico de la diferencia de potencial en el canal es diferente).

¿Cómo se organizan las ampollas de Lorenzini? Resultó que todas las células del epitelio que recubren el canal están firmemente conectadas entre sí mediante "contactos apretados" especiales, que proporcionan una alta resistencia específica del epitelio (aproximadamente 6 MOhm-cm2). Un canal recubierto con tan buen aislamiento se extiende debajo de la piel y puede tener varias decenas de centímetros de largo. Por el contrario, la gelatina que llena el canal de la ampolla de Lorenzini tiene una resistividad muy baja (del orden de 30 Ohm-cm); esto está garantizado por el hecho de que las bombas de iones bombean muchos iones K + a la luz del canal (la concentración de K + en el canal es mucho mayor que en el agua de mar o en la sangre de los peces). Por lo tanto, el canal de un órgano eléctrico es una pieza de un buen cable con alta resistencia de aislamiento y un núcleo bien conductor.

El "fondo" de la ampolla se coloca en una capa por varias decenas de miles de células electroreceptoras, que también están fuertemente pegadas. Resulta que la célula receptora en un extremo mira dentro del canal, y en el otro extremo forma una sinapsis, donde excita un excitante mediador que actúa en un extremo adecuado de la fibra nerviosa. Cada ampolla es adecuada para 10 a 20 fibras aferentes y cada una da muchos terminales que van a los receptores, por lo que, como resultado, aproximadamente 2,000 células receptoras actúan sobre cada fibra (preste atención a esto, ¡esto es importante!).

Veamos ahora qué sucede con las células del electroreceptor bajo la influencia de un campo eléctrico.

Si alguna celda se coloca en un campo eléctrico, entonces, en una parte de la membrana, el signo PP coincide con el signo de la intensidad del campo, y en la otra resulta ser lo contrario. Esto significa que en la mitad de la célula, la MP aumentará (la membrana se hiperpolariza) y, por el contrario, disminuirá (la membrana se despolarizará).

La acción del campo eléctrico en la célula.

Resulta que cada célula "siente" los campos eléctricos, es decir, es un electroreceptor. Y está claro: en este caso, el problema de convertir una señal externa en una señal natural para la célula, la eléctrica, desaparece.Por lo tanto, las células electroreceptoras funcionan de manera muy simple: con el signo apropiado del campo externo, la membrana sináptica de estas células se despolariza y este cambio en el potencial controla la liberación del mediador.

Pero entonces surge la pregunta: ¿cuáles son las características de las células electroreceptoras? ¿Puede una neurona realizar sus funciones? ¿Cuál es el arreglo especial de las ampollas de Lorenzini?

Sí, cualitativamente, cualquier neurona puede considerarse un electroreceptor, pero si recurrimos a estimaciones cuantitativas, la situación cambia. Los campos eléctricos naturales son muy débiles, y todos los trucos que la naturaleza usa en los órganos electrosensibles tienen como objetivo, en primer lugar, detectar la mayor diferencia de potencial en la membrana sináptica y, en segundo lugar, garantizar una alta sensibilidad del mecanismo de liberación del mediador para cambiar MP.

Los órganos eléctricos de los tiburones y las rayas tienen una sensibilidad extremadamente alta (¡podemos decir, increíblemente alta!): ¡Los peces reaccionan a los campos eléctricos con una intensidad de 0.1 μV / cm! Entonces, el problema de la sensibilidad se resuelve brillantemente en la naturaleza. ¿Cómo se logran estos resultados?

En primer lugar, el dispositivo de la ampolla de Lorenzini contribuye a esta sensibilidad. Si la intensidad de campo es de 0.1 μV / cm y la longitud del canal de la ampolla es de 10 cm, entonces será necesaria una diferencia de potencial de 1 μV para toda la ampolla. Casi todo este voltaje caerá en la capa del receptor, ya que su resistencia es mucho mayor que la resistencia del medio en el canal.

El tiburón está usando directamente Ley de ohm: V = IR, dado que la corriente que fluye en el circuito es la misma, la caída de voltaje es mayor donde la resistencia es mayor. Por lo tanto, cuanto más largo sea el canal de la ampolla y menor sea su resistencia, mayor será la diferencia de potencial que se suministra al electroreceptor.

En segundo lugar, la ley de Ohm es "aplicada" por los propios electroreceptores. Las diferentes partes de su membrana también tienen una resistencia diferente: la membrana sináptica, donde se destaca el mediador, tiene una alta resistencia, y la parte opuesta de la membrana es pequeña, por lo que aquí la diferencia de potencial se distribuye de manera más rentable.

En cuanto a la sensibilidad de la membrana sináptica a los cambios de MP, puede explicarse por varias razones: los canales de esta membrana o el mecanismo de expulsión del mediador en sí pueden tener una alta sensibilidad a los cambios potenciales.

A. L. Call propuso una versión muy interesante de la explicación de la alta sensibilidad de la liberación del mediador a los cambios de MP. Su idea es que en tales sinapsis, la corriente generada por la membrana postsináptica fluye hacia las células receptoras y promueve la liberación del mediador; Como resultado, surge una retroalimentación positiva: la liberación del mediador provoca una PSP, mientras que la corriente fluye a través de la sinapsis, y esto mejora la liberación del mediador.

En principio, dicho mecanismo debe funcionar necesariamente. Pero en este caso, la pregunta es cuantitativa: ¿qué tan efectivo es ese mecanismo para desempeñar algún tipo de papel funcional? Recientemente, A. L. Vyzov y sus compañeros de trabajo han podido obtener datos experimentales convincentes que confirman que tal mecanismo realmente funciona en los fotorreceptores.