Ампулы лоренцини что это
Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 35: чем почувствовать электрическое поле
У скатов и акул есть способность улавливать разницу, даже очень небольшую, в электрических полях. Это умение обеспечивает специальный орган чувств – ампулы Лоренцини, которые находятся на голове рыб. Хотя анатомически эти органы хорошо описаны, как они работают на молекулярном уровне оставалось неизвестным. В одном из номеров Nature рассказывается о ключевых каналах, которые обеспечивают биофизические свойства ампул Лоренцини.
Илл: из обсуждаемой статьи
Контекст
С середины 1970-х годов было известно, что для восприятия электрического поля скатам нужны два направленных потока ионов через мембрану, кальция и калия. Эти потоки связаны друг с другом: поток ионов кальция активирует поток ионов калия; за счет этой цепи слабые электрические сигналы из среды многократно увеличиваются. Но как совместить данные электрофизиологии с молекулярной биологией – что за каналы-молекулы пропускают эти ионы? Или, если перефразировать совсем конкретно, почему скаты могут детектировать изменения в напряжении электрического поля, а мы – нет?
Ампулы Лоренцини. Илл: из обсуждаемой статьи
Исследователи из университета Калифорнии Сан-Франциско выделили ампулы Лоренцини, и, выяснив, какие гены в них экспрессируются больше всего, нашли эти два канала, пропускающие кальций и калий. Достаточно очень небольшого изменения напряжения, чтобы кальциевый канал CaV1.3 у скатов открылся и начал пропускать ионы кальция внутрь клетки. Самое интересное, что и у мышей, и у человека есть ген этого кальциевого канала CaV1.3. Только чтобы заставить открыться этот кальциевый канал у мыши надо гораздо более высокое напряжение. Ученые показали, что причина в таких больших отличиях в физиологии – небольшие отличия в строении белка, всего несколько аминокислот.
На уровне генов и эволюции существует несколько способов приобретения нового свойства (в данном случае способность улавливать электрические поля). Самый энергоемкий из них – это не изобретать новый ген, а адаптировать уже имеющийся к определенной функции (зачем изобретать что-то принципиально новое, когда можно использовать старые разработки?). Адаптация кальциевого рецептора для электрорецепции у скатов – прекрасный пример такого эволюционного хода.
Текст: Дарья Овсянникова
«Molecular basis of ancestral vertebrate electroreception» by Nicholas W. Bellono, Duncan B. Leitch& David Julius in Nature 543, 391–396 (16 March 2017)
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.
Электрорецепция относится к тому разряду органов чувств акул, которые находятся за пределами понимания человека – можно вычислить принцип их работы, но невозможно даже предположить, какие ощущения дает хищницам этот набор сенсоров.
Сеть акульих электрорецепторов открыл Стефано Лоренцини, в 1678 году он описал их как множественные поры, уходящие под кожу хищниц трубчатыми каналами с желеобразным наполнителем.
Итальянский анатом не смог определить их назначения, предположив, что ампулы Лоренцини являются неким органом чувств акул.
В начале XX века ученые вплотную занялись исследованиями неведомого органа, но не были готовы осознать его возможности – разум отказывался признать за акулами возможность ощущать слабейшие электрические поля.
Загадочные рецепторы считали органами, реагирующими на давление или температуру.
Сверхчувствительность электрорецепторов акулы
Одним из первых истинную роль ампул Лоренцини выявил ученый Ройс Мюррей (Бирмингемский университет, Великобритания) – в 1957 году, испытывая реакцию рецепторов акулы на изменения солености воды, он случайно воздействовал на мембраны ампул электрическим полем и зафиксировал в них импульсный разряд.
Поздние исследования показали, что акульи ампулы Лоренцини реагируют на фантастически слабые электрические поля – миллиардные доли одного вольта!
Ни одно другое живое существо, ни один самый современный прибор не могут засечь столь слабое электрическое поле.
По своей конструкции ампулы Лоренцини схожи с сенсорной системой боковой линии акул – каналы заполнены желеобразным веществом, в них размещены клетки с ресничками.
Но реакция ресничек на внешний раздражитель, которым для них является электрическое поле, полностью неожиданна – они не изгибаются, передавая сигнал по цепочке, а меняют свою электрическую полярность!
Смена положительного электрического заряда на отрицательный вызывает электроимпульс, который сообщается в мозг хищницы.
Интересно, что одни и те же клетки с ресничками используются в органах чувств акул для слуха, для обнаружения волновых колебаний в воде и для электрорецепции – эволюция акульего рода проявила в них консерватизм и изобретательность одновременно.
Как акула использует ампулы Лоренцини в охоте?
Дистанция, на которой акулы ощущают через ампулы Лоренцини электрическое поле жертвы, точно не известна – считается, что она не превышает полуметра. Приближаясь к объекту охоты, акула использует все свои органы чувств, но в момент атаки переходит только на электрорецепцию.
Почему она так поступает?
Тела живых существ генерируют слабое электрополе, которое легко обнаруживают акулы на близком расстоянии – к примеру, именно так находят добычу, скрывающуюся в донном песке морей, молотоголовые акулы.
В случаях нападения акул на человека, чаще всего отмечается общая, достаточно странная форма поведения хищницы – она атакует только одну жертву, не обращая никакого внимания на других людей, даже если те пытаются помешать акуле.
После нанесения акулой первого укуса, в морскую воду поступает много крови, частично или полностью блокирующей обзор и обоняние хищницы.
Но в этот момент ампулы Лоренцини воспринимают наиболее устойчивое и мощное электрическое поле, вызванное электрохимической реакцией морской воды и крови, истекающей из тела жертвы – акула безошибочно следует этому сигналу.
Электрорецепторы используются акулами для нанесения точного укуса – это все, что ученые знают о них на настоящий момент.
А вот полное исследование возможностей, которые дают акулам ампулы Лоренцини, еще предстоит ученым будущего.