Dołącz do czytelników
Brak wyników

Ze świata zoologii , Otwarty dostęp

14 stycznia 2020

NR 37 (Styczeń 2020)

Elektrogeneza strętwy

214

O tym, że elektrogeneza i elektrodetekcja to zdolności przydane organizmom żyjącym w środowisku wodnym świadczy fakt, że te zdolności wykształciły się niezależnie aż 11 razy i posługuje się nimi 716 gatunków ryb, a także dziobak australijski (Ornithorhynchus anatinus). Z artykułu dowiecie się, jak ryby generują prąd i w jakim celu. W opracowaniu skupiono się na organach elektrycznych strętw, a także opisano różnice w generowaniu prądu występujące między tym gatunkiem a drętwami.

Jedne z pierwszych historycznych doniesień dotyczących ryb elektrycznych pochodzą sprzed czterech i pół tysiąca lat ze starożytnego Egiptu. W Nilu występuje do dzisiaj słodkowodny sum elektryczny (Malapterurus electricus). Zapiski donoszą, że rybacy byli rażeni prądem, gdy dotykali tych ryb lub mokrych sieci, w które złowiono te zwierzęta. Sumy elektryczne generują prąd o maksymalnym napięciu 350 V. 
Natomiast o „elektrycznych płaszczkach” pisali starożytni naukowcy i filozofowie: Platon, Arystoteles i Galen. Nazywali je Torpedo i ta nazwa łacińska została z tymi rybami do dzisiaj. Wizerunek drętw znaleziono pod popiołami Pompei. Miały przydomek opiekunów innych ryb, bo rażeni prądem rybacy wypuszczali sieci z rąk i chcąc nie chcąc uwalniali połów. Z Rzymu pochodzą doniesienia o wykorzystaniu drętw do leczenia artretyzmu. Chory musiał stanąć na zwierzęciu zakopanym w piasku i być obmywanym przez morskie fale. Kuracja trwała do momentu, gdy pacjentowi zdrętwiały nogi aż do kolan. 
Godigno, XVII-wieczny Jezuita, zauważył, że martwa ryba rusza się, jeśli przyłoży się do niej suma elektrycznego. W 1775 r. John Walsh przeprowadzał wiele eksperymentów z wykorzystaniem strętw (Electrophorus electricus), m.in. ustawiał ludzi w kręgu i kazał im trzymać się za ręce. Krąg zamykała elektryczna ryba. Wszystkich oczywiście raził prąd. Za pomocą wymienionej ryby naukowiec ustalał również przewodność elektryczną różnych substancji, np. szkła, drewna, żelaza czy jedwabiu. Na jego badania patrzono nieprzychylnie i wątpiono w elektrogenezę zwierząt. Dopiero gdy DuBois-Raymond zademonstrował publicznie, że nerwy i mięśnie są elektrogenne, badania dotyczące bioelektryczności zostały zaakceptowane przez środowiska naukowe. 

POLECAMY

Po co zwierzętom elektrodetekcja i elektrogeneza? 

Elektrodetekcja, czyli odczuwanie pola elektrycznego przez tkanki (elektroreceptory, ampułki Lorenziniego), służy zwierzętom do orientacji w przestrzeni i komunikacji z innymi rybami. Do tych celów zwierzęta wykształciły też organ Sachsa i Huntera. 
Natomiast elektrogeneza to wytwarzanie prądu elektrycznego przez komórki. Pierwotnie służyła zwierzętom do orientacji w przestrzeni, a także wyszukiwania ofiar. Oczywiście elektrogeneza występuje też w komórkach nerwowych. Dzięki niej zachodzi przekazywanie informacji w organizmie. Strętwy wykorzystują elektryczność do wyszukiwania ofiar, ich paraliżowania lub osłabiania oraz do obrony.

Budowa ciała strętwy 

Strętwa to ryba słodkowodna spotykana w rzekach Ameryki Południowej. Błędnie nazywana jest węgorzem elektrycznym. Należy do rodziny Gymnotidae. Jest rybą mięsożerną. 
Podczas omawiania właściwości elektrycznych strętwy warto wspomnieć o jej anatomii (rys. 1). Wnętrzności ryby są skumulowane w części głowowej i stanowią 20% ciała zwierzęcia. Pozostałe 80% to mięśnie, układ nerwowy, organy elektryczne, naczynia krwionośne i pęcherz pławny. Organy elektryczne są ulokowane w części brzusznej regionu ogonowego, gdzie znajduje się także większość mięśni motorycznych ryby, główne naczynia krwionośne i rdzeń kręgowy. Przez całą długość zwierzęcia ciągnie się pęcherz pławny – jest on usytuowany między rdzeniem kręgowym a głównym organem elektrycznym.
Electrophorus electricus ma trzy dobrze poznane organy elektryczne: główny, Sachsa i Huntera. Dwa ostatnie generują powtarzalne niskonapięciowe wyładowania. Ich rola została omówiona w dalszej części artykułu. 

Elektrocyty były ewolucyjnie wytworzone z komórek włókien mięśni (miocytów) szkieletowych i dlatego mają podobną do nich budowę, jednak nie są w stanie się kurczyć. Dodatkowo istnieją trzy główne różnice występujące między elektrocytami i innymi komórkami elektrycznymi, np. neuronami:

  • Mają o wiele większą ilość głównych białek pobudliwych elektrycznie, niezbędnych w procesie wytwarzania prądu, takich jak kanały sodowe Na+ czy receptory acetylocholiny. 
  • Białka występujące w błonach komórkowych są spolaryzowane w konkretne strony komórki, by ułatwić wytworzenie różnicy potencjału. 
  • Nieunerwiona błona elektrocytu ma bardzo niski opór wynoszący ok 0,1 Ω/cm2, czyli o 1 lub dwa rzędy wielkości mniejszy niż ten zazwyczaj rejestrowany w nerwach i mięśniach.

 

 

Rys. 1. Schemat budowy ciała strętwy (Electrophorus electricus) i przekrój przez część ogonową, w której znajduje się organ e lektryczny

Charakterystyka elektrocytów i organu elektrycznego strętwy 

Elektrocyty występujące zarówno w organie Sachsa, jak i głównym. Mają postać długich komórek (do 4 cm), szerokości 1,5 mm i grubości 80 mikrometrów. Elektrocyty strętwy są umieszczone jeden za drugim wzdłuż swojej osi podłużnej, tworząc długie prostokątne kolumny ciągnące się wzdłuż osi ryby. Dzięki takiemu ułożeniu komórek organ elektryczny może wytworzyć silniejsze napięcie ładunku elektrycznego. 
Kolumny rozdzielone są za pomocą łącznotkankowych przegród izolujących. Pomagają one utrzymać strukturę organów elektrycznych, a także ukierunkowują przepływ prądu przez ciało zwierzęcia. Ponadto ich właściwości izolujące zapobiegają przepływowi napięcia pomiędzy kolumnami, które mogłoby powodować zwarcie.
Takie upakowanie elektrocytów w kolumnach bardzo często powtarza się u innych gatunków ryb, ponieważ pozwala na wygenerowanie silniejszego napięcia elektrycznego. Kolumnowa zwarta struktura odpowiada występującym w elektryce opornikom połączonym szeregowo.
Na przeciwległych biegunach komórki znajduje się błona unerwiona i nieunerwiona. Błona unerwiona węgorza elektrycznego zawiera receptory acetylocholiny (AChRs), kanały potasowe K+, potężne ilości kanałów sodowych Na+ (1300 na powierzchni 1 µm) i śladowe ilość pomp sodowo-potasowych. Może być wzbudzana zarówno chemicznie, jak i bodźcem elektrycznym. Z tego powodu powierzchnia elektrocytu wytwarza potencjał czynnościowy1 w odpowiedzi na sztuczne pobudzenie acetylocholiny lub bezpośrednią elektryczną stymulację.
Natomiast błona nieunerwiona nie odpowiada na bodźce nerwowe, ponieważ w jej strukturze nie znajdują się receptory acetylocholiny i kanały sodowe, za to występują ogromne ilości pomp sodowo-potasowych i kanały jonowe.  
Cytoplazma elektrocytów zawiera również bardzo duże ilości białka modulatorowego kalmoduliny – stanowi ona 2% wszystkich białek występujących w elektrocycie. Związek ten występuje w całej cytoplazmie, ale większe jej ilości gromadzą się pod błoną unerwioną i nieunerwioną. W przeciwieństwie do białek elektrocytu przytoczonych wcześniej funkcja kalmoduliny w tym typie komórki nie została do końca poznana, chociaż funkcje przekaźnikowe jonów wapnia w innych typach komórek pobudliwych elektrycznie są dobrze zbadane. Przypuszcza się jednak, że spełnia ona ważną rolę w procesie przekazywania sygnału. 

Wytwarzanie ładunku elektrycznego

W stanie spoczynku elektrocyt jest spolaryzowany. Powierzchnia elektrocytu naładowana jest dodatnio. Wewnątrz komórki występują kationy sodu i potasu oraz aniony chlorkowe. Stężenie anionów odpowiada sumarycznemu stężeniu jonów sodu i potasu (przez co wewnątrz komórki zachowana jest równowaga potencjału elektrycznego). Jony chlorkowe gromadzą się tuż pod unerwioną błoną komórkową, na zewnątrz której kumulują się kationy sodu. Robią to, by wyrównać zgromadzony na powierzchni ładunek elektryczny. W takim układzie elektrocyt jest elektrycznie obojętny dla otoczenia (rys. 2A).
W przypadku wystąpienia bodźca przekazanie sygnału z mózgu do elektrocytu następuje dzięki acetylocholinie (ACh), która jest neuroprzekaźnikiem produkowanym przez neurony cholinergiczne. Neurony połączone są z błoną synapsami morfologicznie podobnymi do płytek nerwowo-mięśniowych mięśni szkieletowych ssaków. Acetylocholina otwiera kanały jonowe wyłącznie unerwionej błony (w nieunerwionej błonie, jak napisano wyżej, receptory acetocholiny nie występują), dzięki czemu jony sodu wpływają do środka komórki. Tak nagłe wpłynięcie dodatnio naładowanych jonów powoduje natychmiastowe zachwianie równowagi potencjału wewnątrzkomórkowego, gdzie wnętrze staje się naładowane dodatnio. Komórka jest zdepolaryzowana. Naturalnie komórka dąży do wyrównania potencjałów. Z tego powodu jony potasu od razu zostają przemieszczone poza komórkę – robią to jednak wyłącznie przez błonę przeciwną, nieunerwioną i osadzają się na jej zewnętrznej powierzchni (rys. 2B).
Znajdujące się teraz we wnętrzu elektrocytu kationy sodu gromadzą się tuż pod błoną unerwioną. Opuszczony przez nie obszar na zewnątrz komórki szybko zostaje zapełniony anionami, co powoduje powstanie tam ładunku ujemnego. W tym czasie przeciwległy zewnętrzny koniec komórki zapełniony jest kationami potasowymi generującymi ładunek dodatni. Otrzymujemy różnicę potencjałów (+65 mV na unerwionej membranie, -85 mV na nieunerwionej) dającą napięcie 150 mV każdej komórce. W taki sposób elektrocyt staje się naturalnym kondensatorem (rys. 2C). 

Ciekawostki:

  • W akwariach można utrzymywać pochodzące ze słodkowodnych rzek i jezior Afryki ryby z rodziny mrukowatych (Mormyridae), które generują bardzo słabe pole elektryczne wykorzystywane do elektrodetekcji. Karol Darwin miał problem z ustaleniem, po co ryby generują tak słabe pole elektryczne. Takie gatunki umieścił w sekcji dzieła „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego”, w której opisał zwierzęta przysparzające uczonemu problemy. 
  • Naukowcy znajdują coraz więcej dowodów, że ważnym elementem bodźców środowiskowych oddziałujących na ekspresję genów organizmów są sygnały elektryczne. 
  • Świetnie wykształconą elektrodetekcję ma dziobak. Zwierzę to pływa z zamkniętymi oczami. Elektroreceptory rozmieszczone ma oczywiście na dziobie. 

Ponieważ komórki ułożone są w kolumny odizolowane od sąsiednich kolumn, każda z nich stanowi układ szeregowo połączonych kondensatorów. Całkowite napięcie układu szeregowego kondensatorów (tak jak w organie elektrycznym strętwy czy innych ryb elektrycznych) jest sumą napięć na poszczególnych kondensatorach. Z tego powodu też wyładowania generowane przez rybę są zależne od jej długości – im jest dłuższa, tym są silniejsze. Mogą dojść do 700 V i natężenia 1 A (rzadko rejestruje się natężenie 2 A). Zazwyczaj jednak napięcie nie prz...

Artykuł jest dostępny w całości tylko dla zalogowanych użytkowników.

Jak uzyskać dostęp? Wystarczy, że założysz konto lub zalogujesz się.
Czeka na Ciebie pakiet inspirujących materiałow pokazowych.
Załóż konto Zaloguj się

Przypisy