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Physik in der Tierwelt: elektrischer Aal und sein "Kraftwerk"


Elektrischer Aal (Quelle: youtube) Ein

Fisch der Art elektrischer Aal (Electrophorus electricus) ist das einzige Mitglied der Gattung der elektrischen Aale (Electrophorus). Es kommt in einer Reihe von Nebenflüssen des Mittel- und Unterlaufs des Amazonas vor. Die Körpergröße des Fisches erreicht eine Länge von 2,5 Metern und ein Gewicht von 20 kg. Elektrischer Aal frisst Fische, Amphibien und mit etwas Glück Vögel oder kleine Säugetiere. Wissenschaftler haben elektrischen Aal seit Dutzenden (wenn nicht Hunderten) von Jahren untersucht, aber erst jetzt haben einige der strukturellen Merkmale seines Körpers und eine Reihe von Organen begonnen, klar zu werden.

Darüber hinaus ist die Fähigkeit zur Stromerzeugung nicht das einzige ungewöhnliche Merkmal des elektrischen Aals. Zum Beispiel atmet er atmosphärische Luft. Dies ist aufgrund einer großen Anzahl eines speziellen Gewebetyps der Mundhöhle möglich, der von Blutgefäßen durchbohrt wird. Zum Atmen muss Akne alle 15 Minuten an die Oberfläche schweben. Er kann dem Wasser keinen Sauerstoff entziehen, da er in sehr schlammigen und flachen Stauseen lebt, in denen sehr wenig Sauerstoff vorhanden ist. Aber das Hauptunterscheidungsmerkmal des elektrischen Aals sind natürlich seine elektrischen Organe.

Sie spielen nicht nur die Rolle von Waffen, um die Opfer zu betäuben oder zu töten, die der Aal frisst. Die von den elektrischen Organen des Fisches erzeugte Entladung kann bis zu 10 V schwach sein. Solche Entladungen werden vom Aal zur Elektroortung erzeugt. Tatsache ist, dass Fische spezielle "Elektrorezeptoren" haben, mit denen Sie die durch seinen eigenen Körper verursachte Verzerrung des elektrischen Feldes bestimmen können. Die Elektrolokalisierung hilft Aalen, sich in unruhigen Gewässern zurechtzufinden und versteckte Opfer zu finden. Aal kann eine starke Entladung von Elektrizität abgeben, und zu diesem Zeitpunkt beginnt ein lauernder Fisch oder eine Amphibie aufgrund von Anfällen zufällig zu ruckeln. Der Raubtier erkennt diese Schwingungen leicht und frisst die Beute. Somit ist dieser Fisch sowohl elektrorezeptiv als auch elektrogen.



Interessanterweise werden Entladungen unterschiedlicher Stärke von drei Arten elektrischer Organe erzeugt. Sie nehmen ungefähr 4/5 der Länge des Fisches ein. Die Organe von Hunter und Men erzeugen Hochspannung, und kleine Ströme für Navigations- und Kommunikationszwecke werden von der Sachs-Orgel erzeugt. Das Hauptorgan und das Organ des Jägers befinden sich im unteren Teil des Aalkörpers, das Sachs-Organ - im Schwanz. Akne "kommuniziert" miteinander über elektrische Signale in einer Entfernung von bis zu sieben Metern. Mit einer bestimmten Reihe von elektrischen Entladungen können sie andere Personen ihrer Art zu sich ziehen.

Wie erzeugt elektrischer Aal elektrische Entladung?


Akne dieser Art sowie eine Reihe anderer "elektrifizierter" Fische reproduzieren Elektrizität auf die gleiche Weise wie Nerven mit Muskeln in den Organismen anderer Tiere, nur verwenden sie dafür elektrozytenspezialisierte Zellen. Die Aufgabe wird mit dem Na-K-ATPase-Enzym durchgeführt (das gleiche Enzym ist übrigens auch für Mollusken der Gattung Nautilus (lat. Nautilus) sehr wichtig ). Dank des Enzyms wird eine Ionenpumpe gebildet, die Natriumionen aus der Zelle pumpt und Kaliumionen pumpt. Kalium wird dank spezieller Proteine, aus denen die Membran besteht, aus den Zellen ausgeschieden. Sie bilden eine Art "Kaliumkanal", durch den Kaliumionen entfernt werden. Positiv geladene Ionen sammeln sich in der Zelle an und sind außen negativ geladen. Es gibt einen elektrischen Gradienten .

Die Potentialdifferenz erreicht dadurch 70 mV. In der Membran derselben Zelle des elektrischen Aalorgans befinden sich Natriumkanäle, durch die Natriumionen wieder in die Zelle gelangen können. Unter normalen Bedingungen entfernt die Pumpe in 1 Sekunde etwa 200 Natriumionen aus der Zelle und überträgt gleichzeitig etwa 130 Kaliumionen in die Zelle. Eine quadratische Mikrometer-Membran kann 100 bis 200 dieser Pumpen aufnehmen. Normalerweise sind diese Kanäle geschlossen, aber bei Bedarf öffnen sie sich. In diesem Fall führt der Gradient des chemischen Potentials dazu, dass Natriumionen wieder in die Zellen gelangen. Eine allgemeine Spannungsänderung von -70 auf +60 mV tritt auf, und die Zelle liefert eine Entladung von 130 mV. Die Dauer des Prozesses beträgt nur 1 ms. Elektrische Zellen sind durch Nervenfasern miteinander verbunden, die Verbindung ist seriell. Elektrozyten bilden eine Art Säulen,die parallel geschaltet sind. Die Gesamtspannung des erzeugten elektrischen Signalserreicht 650 V, Stromstärke - 1A. Nach einigen Berichten kann die Spannung sogar 1000 V erreichen und die Stromstärke beträgt 2A.


Elektrozyten (elektrische Zellen) eines Aals unter einem Mikroskop.

Nach einer Entladung arbeitet die Ionenpumpe wieder und die elektrischen Organe des Aals werden geladen. Laut einigen Wissenschaftlern gibt es 7 Arten von Ionenkanälen in der Zellmembran von Elektrozyten. Die Lage dieser Kanäle und der Wechsel der Kanaltypen beeinflussen die Stromerzeugungsrate.



Batterie schwach


Laut einer Studie von Kenneth Catania von der University of Vanderbilt (USA) kann Aal drei Arten der Entladung seines elektrischen Organs verwenden. Der erste ist, wie oben erwähnt, eine Reihe von Niederspannungsimpulsen, die zu Kommunikations- und Navigationszwecken dienen.

Die zweite ist eine Folge von 2-3 Hochspannungsimpulsen, die mehrere Millisekunden dauern. Diese Methode wird von Aal bei der Suche nach einem versteckten und versteckten Opfer angewendet. Sobald 2-3 Hochspannungsentladungen abgegeben werden, beginnen sich die Muskeln des lauernden Opfers zusammenzuziehen, und der Aal kann potenzielle Nahrung leicht erkennen.



Die dritte Methode ist eine Reihe von Hochspannungs-Hochfrequenzentladungen. Die dritte Methode wird von Aalen während der Jagd angewendet und gibt bis zu 400 Impulse pro Sekunde ab. Diese Methode lähmt fast jedes Tier kleiner und mittlerer Größe (sogar Menschen) in einer Entfernung von bis zu 3 Metern.

Wer kann sonst noch elektrischen Strom erzeugen?


Etwa 250 Fischarten sind dazu in der Lage. Die Mehrheit der Elektrizität - nur mittels Navigation, wie im Fall des Elefanten Nil (Gnathonemus petersii).

Aber nur wenige Fische sind in der Lage, eine elektrische Entladung mit empfindlicher Kraft zu erzeugen. Dies sind elektrische Rampen (eine Reihe von Arten), elektrische Wels und einige andere.


Elektrischer Wels (Quelle: Wikipedia)

Jason Gallent und Kollegen festgehaltenSequenzierung des Genoms einer Reihe von Fischen mit elektrischen Organen und stellte fest, dass viele der von ihnen untersuchten Arten keine Verwandten sind. Die "Erfindung" aufgrund der Natur der elektrischen Organe in Fischen verlief parallel, aber die Struktur der Batterien ist für alle sehr ähnlich. Insgesamt zählten die Wissenschaftler 6 voneinander unabhängige Evolutionslinien, was zum Auftreten elektrischer Organe führte. Vielleicht ist elektrischer Aal eine der Fischarten, die dieses Organ am geschicktesten einsetzen.


Quelle: animalpicturesociety.com

Source: https://habr.com/ru/post/de396959/

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