Como os tubarões usam a lei de Ohm e a teoria das probabilidades

Em 1951, o cientista inglês Lissman estudou o comportamento dos peixes do ginásio. Este peixe vive em águas opacas e opacas nos lagos e pântanos da África e, portanto, nem sempre pode usar a visão para orientação. Lissman sugeriu que esses peixes, como morcegos, são usados ​​para orientação ecolocalização.

A incrível capacidade dos morcegos de voar em completa escuridão, sem esbarrar em obstáculos, foi descoberta há muito tempo, em 1793, ou seja, quase simultaneamente com a descoberta de Galvani. Fez Lazaro Spallanzani - Professor da Universidade de Pavia (aquele onde Volta trabalhava). No entanto, evidências experimentais de que os morcegos emitem ultrassons e são guiados por seus ecos foram obtidas apenas em 1938 na Universidade de Harvard, nos EUA, quando os físicos criaram equipamentos para registrar ultrassons.

Tendo testado experimentalmente a hipótese ultrassônica da orientação do ginásio, Lissman a rejeitou. Acontece que o ginasta é orientado de alguma maneira diferente. Estudando o comportamento da ginasta, Lissman descobriu que esse peixe possui um órgão elétrico e começa a gerar descargas de corrente muito fracas na água opaca. Essa corrente não é adequada para defesa ou ataque. Então Lissman sugeriu que o ginasta tivesse órgãos especiais para a percepção de campos elétricos - sistema sensor.

Foi uma hipótese muito ousada. Os cientistas sabiam que os insetos veem a luz ultravioleta, e muitos animais ouvem sons inaudíveis para nós. Mas essa foi apenas uma ligeira extensão do alcance na percepção de sinais que as pessoas podem perceber. Lissman permitiu a existência de um tipo totalmente novo de receptor.

A situação foi complicada pelo fato de que a reação dos peixes às correntes fracas na época já era conhecida. Foi observado em 1917 por Parker e Van Heuser no peixe-gato (todos os peixes-gato parecem ter eletrorreceptores). No entanto, esses autores deram às suas observações uma explicação completamente diferente. Eles decidiram que, ao passar uma corrente pela água, a distribuição de íons nela muda, e isso afeta o sabor da água. Tal ponto de vista parecia bastante plausível: por que criar novos órgãos, se os resultados podem ser explicados por conhecidos órgãos de gosto comuns. É verdade que esses cientistas não provaram sua interpretação de forma alguma; eles não estabeleceram um experimento de controle. Se eles cortassem os nervos provenientes dos órgãos do paladar, para que as sensações gustativas dos peixes desaparecessem, eles descobririam que a reação à corrente persiste. Tendo-se limitado a uma explicação verbal de suas observações, eles passaram por uma grande descoberta.

Lissman, pelo contrário, apresentou uma variedade de experimentos e, após uma década de trabalho, comprovou sua hipótese. Cerca de 25 anos atrás, a existência de eletrorreceptores foi reconhecida pela ciência. Os eletrorreceptores começaram a ser estudados e logo foram encontrados em muitos peixes marinhos e de água doce (tubarões, arraias, bagres etc.), bem como lampreias. Cerca de 5 anos atrás, esses receptores foram descobertos em anfíbios (salamandra e axolotl) e, recentemente - em mamíferos (bico de pato).

Onde estão localizados os eletrorreceptores e como eles são organizados?

Peixes (e anfíbios) têm mecanorreceptores de linha lateral localizados ao longo do corpo e na cabeça do peixe; eles percebem o movimento da água em relação ao animal. Eletrorreceptores são outro tipo de receptor de linha lateral. Durante o desenvolvimento embrionário, todos os receptores da linha lateral se desenvolvem na mesma área do sistema nervoso que os receptores auditivos e vestibulares. Portanto, os morcegos auditivos e os eletrorreceptores de peixes são parentes próximos.

Em peixes diferentes, os eletrorreceptores têm localização diferente - eles estão localizados na cabeça, nas barbatanas, ao longo do corpo (às vezes em várias linhas), além de uma estrutura diferente. Freqüentemente, as células eletrorreceptoras formam órgãos especializados. Consideramos aqui um desses órgãos encontrados em tubarões e arraias - a ampola de Lorencini (esse órgão foi descrito pelo cientista italiano Lorencini em 1678).

Lorencini pensou que as ampolas são glândulas que produzem muco de peixe (embora não excluam outras possibilidades). A ampola de Lorenzini é um canal subcutâneo, um dos quais está aberto ao ambiente externo (sua entrada é chamada às vezes) e o outro termina com uma extensão opaca (ampola); o lúmen do canal é preenchido com uma massa gelatinosa; as células eletrorreceptoras alinham o "fundo" da ampola em uma linha.

É interessante (de fato, uma ironia do destino) que Parker, que primeiro notou que os peixes reagem a correntes elétricas fracas, também estudou as ampolas de Lorenzini, mas atribuiu funções completamente diferentes a elas. Ele descobriu que, pressionando a varinha na entrada externa do canal ("poro"), uma reação de tubarão (por exemplo, uma alteração na frequência dos batimentos cardíacos) pode ser causada.

A partir de tais experiências, ele concluiu que a ampola de Lorenzini é um manômetro para medir a profundidade de imersão dos peixes, principalmente porque a estrutura do órgão era semelhante a um manômetro. Mas desta vez, a interpretação de Parker acabou sendo errada. Se você colocar um tubarão em uma câmara de pressão e criar pressão aumentada (simulando um aumento na profundidade de imersão), a ampola de Lorencini não responde a ele - e isso pode ser feito sem experimentar: a água pressiona por todos os lados e não há efeito). E com a pressão apenas no poro da geléia que o preenche, surge uma diferença de potencial, semelhante à forma como uma diferença de potencial surge em um cristal piezoelétrico (embora o mecanismo físico da diferença de potencial no canal seja diferente).

Como são dispostas as ampolas de Lorenzini? Verificou-se que todas as células do epitélio que revestem o canal estão firmemente conectadas entre si por "contatos estreitos" especiais, o que fornece uma alta resistência específica ao epitélio (cerca de 6 MOhm-cm2). Um canal revestido com esse bom isolamento se estende sob a pele e pode ter várias dezenas de centímetros de comprimento. Pelo contrário, a geléia que enche o canal da ampola de Lorenzini tem uma resistividade muito baixa (da ordem de 30 Ohm-cm); isso é garantido pelo fato de as bombas de íons bombearem muitos íons K + no lúmen do canal (a concentração de K + no canal é muito maior do que na água do mar ou no sangue dos peixes). Assim, o canal de um órgão elétrico é um pedaço de um bom cabo com alta resistência de isolamento e um núcleo bem condutor.

O "fundo" da ampola é colocado em uma camada por várias dezenas de milhares de células eletrorreceptoras, que também são coladas firmemente. Acontece que a célula receptora, em uma extremidade, olha para dentro do canal e, na outra extremidade, forma uma sinapse, onde excita um excitante mediador atuando em uma extremidade adequada da fibra nervosa. Cada ampola encaixa entre 10 e 20 fibras aferentes e cada uma fornece muitos terminais que vão para os receptores, de modo que, como resultado, cerca de 2.000 células receptoras atuam em cada fibra (preste atenção nisso - isso é importante!).

Vamos agora ver o que acontece com as próprias células eletrorreceptoras sob a influência de um campo elétrico.

Se qualquer célula é colocada em um campo elétrico, em uma parte da membrana o sinal PP coincide com o sinal da força do campo e, na outra, acaba sendo o oposto. Isso significa que em metade da célula, o MP aumentará (a membrana é hiperpolarizada) e, por outro lado, diminuirá (a membrana será despolarizada).

A ação do campo elétrico na célula

Acontece que toda célula "sente" campos elétricos, isto é, é um eletrorreceptor. E é claro: nesse caso, o problema de converter um sinal externo em um sinal natural para a célula - o elétrico - desaparece.Assim, as células eletrorreceptoras funcionam de maneira muito simples: com o sinal apropriado do campo externo, a membrana sináptica dessas células é despolarizada e essa mudança no potencial controla a liberação do mediador.

Mas então surge a pergunta: quais são as características das células eletro-receptoras? Qualquer neurônio pode desempenhar suas funções? Qual é o arranjo especial das ampolas de Lorenzini?

Sim, qualitativamente, qualquer neurônio pode ser considerado um eletrorreceptor, mas se recorrermos a estimativas quantitativas, a situação muda. Os campos elétricos naturais são muito fracos e todos os truques que a natureza usa nos órgãos eletrossensíveis visam, primeiramente, capturar a maior diferença de potencial na membrana sináptica e, segundo, garantir alta sensibilidade do mecanismo de liberação do mediador para mudar MP.

Os órgãos elétricos dos tubarões e das arraias têm uma temperatura extremamente alta (podemos dizer, fantasticamente alta!) os peixes reagem a campos elétricos com uma intensidade de 0,1 μV / cm! Portanto, o problema da sensibilidade é brilhantemente resolvido na natureza. Como esses resultados são alcançados?

Em primeiro lugar, o dispositivo da ampola de Lorenzini contribui para essa sensibilidade. Se a intensidade do campo for de 0,1 µV / cm e o comprimento do canal da ampola for de 10 cm, será necessária uma diferença de potencial de 1 µV para toda a ampola. Quase toda essa tensão cairá na camada receptora, pois sua resistência é muito maior que a resistência do meio no canal.

O tubarão está usando diretamente Lei de Ohm: V = IR, como a corrente que flui no circuito é a mesma, a queda de tensão é maior onde a resistência é maior. Assim, quanto maior o canal da ampola e menor a sua resistência, maior a diferença de potencial é fornecida ao eletrorreceptor.

Em segundo lugar, a lei de Ohm é "aplicada" pelos próprios eletrorreceptores. Diferentes partes de sua membrana também têm resistência diferente: a membrana sináptica, onde o mediador se destaca, tem uma alta resistência, e a parte oposta da membrana é pequena; portanto, aqui a diferença de potencial é distribuída de maneira mais lucrativa.

Quanto à sensibilidade da membrana sináptica às mudanças de MP, isso pode ser explicado por várias razões: os canais dessa membrana ou o próprio mecanismo de ejeção do mediador podem ter alta sensibilidade a possíveis alterações.

Uma versão muito interessante da explicação da alta sensibilidade da liberação do mediador às mudanças de MP foi proposta por A. L. Call. Sua idéia é que, nessas sinapses, a corrente gerada pela membrana pós-sináptica flua para as células receptoras e promova a liberação do mediador; como resultado, surge um feedback positivo: a liberação do mediador causa um PSP, enquanto a corrente flui através da sinapse, e isso aumenta a liberação do mediador.

Em princípio, esse mecanismo deve necessariamente funcionar. Mas, neste caso, a pergunta é quantitativa: qual a eficácia de um mecanismo para desempenhar algum tipo de papel funcional? Recentemente, A. L. Vyzov e seus colegas de trabalho conseguiram obter dados experimentais convincentes, confirmando que esse mecanismo realmente funciona em fotorreceptores.