Köpekbalıkları Ohm yasasını ve olasılık teorisini nasıl kullanır?

1951'de İngiliz bilim adamı Lissman, jimnastikçi balıklarının davranışını inceledi. Bu balık, Afrika'nın göl ve bataklıklarındaki opak opak suda yaşar ve bu nedenle yönlendirme için her zaman görüş kullanamaz. Lissman yarasalar gibi bu balıkların oryantasyon için kullanıldığını ileri sürdü echolocation.

Yarasaların engellere çarpmadan tam karanlıkta uçma yeteneği, uzun zaman önce 1793'te, yani hemen hemen aynı anda Galvani'nin keşfi ile keşfedildi. Yaptım Lazaro Spallanzani - Pavia Üniversitesi'nde (Volta'nın çalıştığı) Profesör. Bununla birlikte, yarasaların ultrasonlar yaydığı ve yankıları tarafından yönlendirildiği deneysel kanıtlar, fizikçilerin ultrasonları kaydetmek için ekipman yarattığı ABD'de Harvard Üniversitesi'nde sadece 1938'de elde edildi.

Spor salonunun yöneliminin ultrasonik hipotezini deneysel olarak test eden Lissman bunu reddetti. Gymnarch'ın bir şekilde farklı bir şekilde yönlendirildiği ortaya çıktı. Jimnastikçinin davranışını inceleyen Lissman, bu balığın bir elektrik organına sahip olduğunu ve opak suda çok zayıf akım deşarjları üretmeye başladığını öğrendi. Böyle bir akım savunma veya saldırı için uygun değildir. Sonra Lissman, jimnastik salonunun elektrik alanlarının algılanması için özel organlara sahip olması gerektiğini önerdi - sensör sistemi.

Çok cesur bir hipotezdi. Bilim adamları böceklerin ultraviyole ışığı gördüğünü biliyordu ve birçok hayvan bizim için duyulmayan sesler duyuyor. Ancak bu, insanların algılayabileceği sinyal algısındaki aralığın sadece küçük bir uzantısıydı. Lissman tamamen yeni bir reseptör türünün var olmasına izin verdi.

Durum, o zamanlar balıkların zayıf akımlara reaksiyonunun zaten bilinmesi nedeniyle karmaşıktı. 1917'de Parker ve Van Heuser tarafından yayın balığı üzerinde gözlendi (tüm yayın balıklarında elektroteptörler var gibi görünüyor). Ancak bu yazarlar gözlemlerini tamamen farklı bir açıklamada bulundular. Sudan bir akım geçirerek içindeki iyon dağılımının değiştiğine ve bunun suyun tadını etkilediğine karar verdiler. Böyle bir bakış açısı oldukça makul görünüyordu: eğer sonuçlar iyi bilinen sıradan tat organları ile açıklanabilirse, neden bazı yeni organlar ortaya çıkıyor. Doğru, bu bilim adamları yorumlarını hiçbir şekilde kanıtlamadılar, bir kontrol deneyi belirlemediler. Tat organlarından gelen sinirleri keserse, balıktaki tat duyumlarının kaybolması durumunda, akıma tepki göstermenin sürdüğünü bulurlar. Kendilerini gözlemlerinin sözlü bir açıklamasıyla sınırlandırarak, büyük bir keşif yaptılar.

Aksine, Lissman çeşitli deneyler yaptı ve on yıllık bir çalışmadan sonra hipotezini kanıtladı. Yaklaşık 25 yıl önce, elektro alıcıların varlığı bilim tarafından kabul edildi. Elektro-reseptörler araştırılmaya başlandı ve yakında birçok deniz ve tatlı su balıklarında (köpekbalıkları, vatozlar, yayın balığı vb.) Ve lampreylerde bulundu. Yaklaşık 5 yıl önce, bu reseptörler amfibilerde (semender ve aksolotl) ve son zamanlarda - memelilerde (ördek gagası) keşfedildi.

Elektreseptörler nerede bulunur ve nasıl düzenlenir?

Balıklar (ve amfibiler), vücut boyunca ve balığın başında bulunan yanal çizgi mekanoreseptörlerine sahiptir; suyun hayvana göre hareketini algılarlar. Elektro reseptörler, başka bir yanal çizgi reseptörü türüdür. Embriyonik gelişim sırasında, tüm lateral hat reseptörleri işitme ve vestibüler reseptörlerle aynı sinir bölgesinden gelişir. Bu yüzden işitsel yarasalar ve balık elektro-alıcıları yakın akrabalardır.

Farklı balıklarda, elektro-reseptörlerin farklı lokalizasyonu vardır - başlarda, yüzgeçlerde, vücut boyunca (bazen birkaç sıra halinde) ve farklı bir yapıda bulunurlar. Çoğu zaman, elektro-reseptör hücreleri özel organlar oluşturur. Burada köpekbalıkları ve vatozlarda bulunan bu tür organlardan birini düşünüyoruz - Lorencini ampulü (bu organ 1678'de İtalyan bilim adamı Lorencini tarafından tanımlandı).

Lorencini, ampullerin balık mukusu üreten bezler olduğunu düşündü (diğer olasılıkları dışlamamasına rağmen). Lorenzini ampulü, bir ucu dış ortama açık olan (girişine bazen denir) ve diğer ucu donuk bir uzatma (ampul) ile biten bir subkütan kanaldır; kanalın lümeni jöle benzeri bir kütle ile doldurulur; elektreseptör hücreleri ampulün “alt” sını bir sıra halinde sıralar.

İlginçtir (gerçekte bir kader ironisi), balıkların ilk önce zayıf elektrik akımlarına tepki verdiğini fark eden Parker'ın da Lorenzini ampullerini inceledi, ancak onlara tamamen farklı işlevler atfetti. Asayı kanalın dış girişine iterek (“gözenek”) bir köpekbalığı reaksiyonuna (örneğin, kalp atışı sıklığında bir değişiklik) neden olabileceğini buldu.

Bu tür deneylerden, Lorenzini ampulünün, özellikle organın yapısı bir manometreye benzediğinden, balıkların daldırma derinliğini ölçmek için bir manometre olduğu sonucuna vardı. Ancak bu kez Parker'ın yorumu yanlıştı. Bir köpekbalığını bir basınç odasına yerleştirir ve içinde artan basınç yaratırsanız (daldırma derinliğinde bir artış simüle eder), Lorencini ampulü buna cevap vermez - ve bu deney yapmadan yapılabilir: her yönden su presleri ve etkisi yoktur). Ve sadece jöledeki onu dolduran gözenek üzerinde baskı altında, piezoelektrik bir kristalde potansiyel bir farkın ortaya çıkmasına benzer bir potansiyel fark ortaya çıkar (kanaldaki potansiyel farkın fiziksel mekanizması farklı olsa da).

Lorenzini ampulleri nasıl düzenlenir? Kanalı kaplayan epitelyum hücrelerinin tümünün, epitelyuma (yaklaşık 6 MOhm-cm2) yüksek bir spesifik direnç sağlayan özel "sıkı temaslar" ile sıkıca bağlandığı ortaya çıktı. Böyle iyi bir yalıtım ile kaplanmış bir kanal cilt altında uzanır ve onlarca santimetre uzunluğunda olabilir. Aksine, Lorenzini ampulünün kanalını dolduran jöle çok düşük bir dirence sahiptir (30 Ohm-cm mertebesinde); Bu, iyon pompalarının kanalın lümenine çok fazla K + iyonu pompalamasıyla sağlanır (kanaldaki K + konsantrasyonu deniz suyundan veya balık kanından çok daha yüksektir). Böylece, bir elektrik organının kanalı, yüksek yalıtım direncine ve iyi iletken bir çekirdeğe sahip iyi bir kablonun bir parçasıdır.

Ampulün "tabanı", aynı zamanda birbirine sıkıca yapıştırılmış olan on binlerce elektreseptör hücresi tarafından bir katmana serilir. Bir uçtaki reseptör hücresinin kanalın içine baktığı ve diğer uçta bir sinaps oluşturduğu ortaya çıkar ve burada sinir lifinin uygun bir ucuna etki eden heyecan verici bir aracıyı uyarır. Her ampul 10 ila 20 afferent lif için uygundur ve her biri reseptörlere giden birçok terminal verir, böylece sonuç olarak her fiber üzerinde yaklaşık 2.000 reseptör hücresi etki eder (buna dikkat edin - bu önemlidir!).

Şimdi bir elektrik alanın etkisi altında elektroreseptör hücrelerine neler olduğunu görelim.

Herhangi bir hücre bir elektrik alanına yerleştirilirse, zarın bir kısmında PP işareti alan kuvvetinin işareti ile çakışır ve diğerinde tersi olur. Bu, hücrenin yarısında, MP'nin artacağı (zarın hiperpolarize olduğu) ve diğer yandan, azalacağı (zarın depolarize olacağı) anlamına gelir.

Elektrik alanının hücre üzerindeki etkisi

Her hücrenin elektrik alanlarını "hissettiği", yani bir elektrik alıcı olduğu ortaya çıkıyor. Ve açıktır: bu durumda, harici bir sinyali hücre için - elektrik olanı - doğal olana dönüştürme sorunu ortadan kalkar.Böylece, elektroreseptör hücreleri çok basit çalışır: dış alanın uygun işareti ile, bu hücrelerin sinaptik zarı depolarize edilir ve potansiyeldeki bu değişim arabulucunun salımını kontrol eder.

Ama sonra soru ortaya çıkıyor: elektro reseptör hücrelerinin özellikleri nelerdir? Herhangi bir nöron işlevlerini yerine getirebilir mi? Lorenzini ampullerinin özel düzenlemesi nedir?

Evet, niteliksel olarak, herhangi bir nöron bir elektroreseptör olarak kabul edilebilir, ancak nicel tahminlere dönersek durum değişir. Doğal elektrik alanları çok zayıftır ve doğanın elektrosensitif organlarda kullandığı tüm hileler, öncelikle sinaptik membrandaki en büyük potansiyel farkı yakalamayı ve ikincisi, aracı bırakma mekanizmasının değişime yüksek hassasiyetini sağlamayı amaçlamaktadır. MT.

Köpekbalıkları ve vatozların elektrik organları son derece yüksektir (fevkalade yüksek diyebiliriz!) Hassasiyet: balık elektrik alanlarına 0.1 μV / cm yoğunluğunda tepki verir! Böylece hassasiyet problemi doğada zekice çözüldü. Bu sonuçlar nasıl elde edilir?

İlk olarak, Lorenzini ampulünün cihazı bu duyarlılığa katkıda bulunur. Alan kuvveti 0,1 μV / cm ve ampulün kanal uzunluğu 10 cm ise, tüm ampul için 1 μV'luk bir potansiyel farkı gerekecektir. Direnci, kanaldaki ortamın direncinden çok daha yüksek olduğu için, bu voltajın neredeyse tamamı reseptör tabakasına düşecektir.

Köpekbalığı doğrudan kullanıyor Ohm yasası: V = IR, devrede akan akım aynı olduğundan, direncin daha yüksek olduğu yerde voltaj düşüşü daha fazladır. Böylece, ampul kanalı ne kadar uzun olursa ve direnci ne kadar düşük olursa, elektro alıcıya potansiyel fark o kadar büyük olur.

İkincisi, Ohm yasası elektro-alıcıların kendileri tarafından “uygulanır”. Membranlarının farklı kısımları da farklı dirence sahiptir: arabulucunun öne çıktığı sinaptik membran, yüksek bir dirence sahiptir ve membranın karşı kısmı küçüktür, bu nedenle burada potansiyel farkı daha karlı bir şekilde dağıtılır.

Sinaptik membranın MP kaymalarına duyarlılığına gelince, çeşitli nedenlerle açıklanabilir: bu membranın kanalları veya aracı fırlatma mekanizmasının kendisi potansiyel kaymalara karşı yüksek duyarlılığa sahip olabilir.

MP kaymalarına aracı bırakmanın yüksek hassasiyetinin açıklamasının çok ilginç bir versiyonu A. L. Call tarafından önerilmiştir. Onun fikri, bu sinapslarda postsinaptik zar tarafından üretilen akımın reseptör hücrelerine akması ve aracının salınmasını teşvik etmesidir; sonuç olarak, olumlu bir geri bildirim ortaya çıkar: arabulucunun serbest bırakılması PSP'ye neden olurken, akım sinapstan akar ve bu da arabulucunun serbest bırakılmasını artırır.

Prensip olarak, böyle bir mekanizma mutlaka çalışmalıdır. Ancak bu durumda soru niceldir: böyle bir mekanizma bir tür fonksiyonel rol oynamak için ne kadar etkilidir? Son zamanlarda, A. L. Vyzov ve meslektaşları, böyle bir mekanizmanın gerçekten fotoreseptörlerde çalıştığını doğrulayan ikna edici deneysel veriler elde edebildiler.