Comment les requins utilisent la loi d'Ohm et la théorie des probabilités

En 1951, le scientifique anglais Lissman étudie le comportement des poissons du gymnase. Ce poisson vit dans l'eau opaque et opaque des lacs et des marécages d'Afrique et ne peut donc pas toujours utiliser la vue pour s'orienter. Lissman a suggéré que ces poissons, comme les chauves-souris, sont utilisés pour l'orientation écholocation.

L'incroyable capacité des chauves-souris à voler dans l'obscurité totale, sans heurter d'obstacles, a été découverte il y a longtemps, en 1793, c'est-à-dire presque simultanément avec la découverte de Galvani. L'a fait Lazaro Spallanzani - Professeur à l'Université de Pavie (celle où Volta a travaillé). Cependant, des preuves expérimentales que les chauves-souris émettent des ultrasons et sont guidées par leurs échos n'ont été obtenues qu'en 1938 à l'Université de Harvard aux États-Unis, lorsque les physiciens ont créé un équipement pour enregistrer les ultrasons.

Après avoir testé expérimentalement l'hypothèse ultrasonore de l'orientation du gymnase, Lissman l'a rejetée. Il s'est avéré que le gymnarque est orienté différemment. En étudiant le comportement du gymnaste, Lissman a découvert que ce poisson a un organe électrique et commence à générer des décharges de courant très faibles dans l'eau opaque. Un tel courant ne convient ni à la défense ni à l'attaque. Ensuite, Lissman a suggéré que le gymnarque devrait avoir des organes spéciaux pour la perception des champs électriques - système de capteur.

C'était une hypothèse très audacieuse. Les scientifiques savaient que les insectes voient la lumière ultraviolette et de nombreux animaux entendent des sons inaudibles pour nous. Mais ce n'était qu'une légère extension de la plage de perception des signaux que les gens peuvent percevoir. Lissman a permis à un tout nouveau type de récepteur d'exister.

La situation était compliquée par le fait que la réaction des poissons aux courants faibles à cette époque était déjà connue. Il a été observé en 1917 par Parker et Van Heuser sur le poisson-chat (tous les poissons-chats semblent avoir des électrorécepteurs). Cependant, ces auteurs ont donné à leurs observations une explication complètement différente. Ils ont décidé qu'en faisant passer un courant dans l'eau, la distribution des ions dans celle-ci change, ce qui affecte le goût de l'eau. Un tel point de vue semblait tout à fait plausible: pourquoi trouver de nouveaux organes, si les résultats peuvent être expliqués par des organes de goût ordinaires bien connus. Certes, ces scientifiques n'ont prouvé en aucune façon leur interprétation; ils n'ont pas mis en place une expérience de contrôle. S'ils coupaient les nerfs provenant des organes du goût, de sorte que les sensations gustatives chez le poisson disparaissent, ils constateraient que la réaction au courant persiste. S'étant limités à une explication verbale de leurs observations, ils ont passé une grande découverte.

Lissman, au contraire, a proposé une variété d'expériences et, après une décennie de travail, a confirmé son hypothèse. Il y a environ 25 ans, l'existence d'électro-récepteurs a été reconnue par la science. Les électrorécepteurs ont commencé à être étudiés, et bientôt ils ont été trouvés dans de nombreux poissons marins et d'eau douce (requins, raies pastenagues, poissons-chats, etc.), ainsi que des lamproies. Il y a environ 5 ans, de tels récepteurs ont été découverts chez les amphibiens (salamandre et axolotl), et récemment - chez les mammifères (bec de canard).

Où sont situés les électrorécepteurs et comment sont-ils disposés?

Les poissons (et les amphibiens) ont des mécanorécepteurs en ligne latérale situés le long du corps et sur la tête du poisson; ils perçoivent le mouvement de l'eau par rapport à l'animal. Les électrorécepteurs sont un autre type de récepteur de ligne latérale. Pendant le développement embryonnaire, tous les récepteurs de la ligne latérale se développent à partir de la même zone du système nerveux que les récepteurs auditifs et vestibulaires. Les chauves-souris auditives et les électro-récepteurs de poissons sont donc des parents proches.

Chez différents poissons, les électrorécepteurs ont une localisation différente - ils sont situés sur la tête, sur les nageoires, le long du corps (parfois en plusieurs rangées), ainsi que sur une structure différente. Souvent, les cellules électro-réceptrices forment des organes spécialisés. Nous considérons ici l'un de ces organes trouvés dans les requins et les raies - l'ampoule Lorencini (cet organe a été décrit par le scientifique italien Lorencini en 1678).

Lorencini pensait que les ampoules sont des glandes qui produisent du mucus de poisson (bien qu'elles n'excluent pas d'autres possibilités). L'ampoule Lorenzini est un canal sous-cutané dont une extrémité est ouverte sur l'environnement extérieur (son entrée est parfois appelée) et les autres extrémités avec une extension émoussée (ampoule); la lumière du canal est remplie d'une masse gélatineuse; des cellules électro-réceptrices tapissent le «fond» de l'ampoule sur une rangée.

Il est intéressant (en effet, une ironie du destin) que Parker, qui a d'abord remarqué que les poissons réagissent aux faibles courants électriques, a également étudié les ampoules de Lorenzini, mais leur a attribué des fonctions complètement différentes. Il a constaté qu'en poussant la baguette sur l'entrée externe du canal («temps»), une réaction de requin (par exemple, un changement de la fréquence des battements cardiaques) peut être provoquée.

À partir de telles expériences, il a conclu que l'ampoule Lorenzini est un manomètre pour mesurer la profondeur d'immersion des poissons, d'autant plus que la structure de l'organe était similaire à un manomètre. Mais cette fois, l'interprétation de Parker s'est révélée erronée. Si vous placez un requin dans une chambre de pression et y créez une pression accrue (simulant une augmentation de la profondeur d'immersion), l'ampoule Lorencini n'y répond pas - et cela peut être fait sans expérimenter: l'eau presse de tous les côtés et il n'y a aucun effet). Et avec une pression uniquement sur les pores de la gelée qui la remplit, une différence de potentiel apparaît, similaire à la façon dont une différence de potentiel se produit dans un cristal piézoélectrique (bien que le mécanisme physique de la différence de potentiel dans le canal soit différent).

Comment sont disposées les ampoules Lorenzini? Il s'est avéré que toutes les cellules de l'épithélium tapissant le canal sont fermement connectées les unes aux autres par des "contacts étroits" spéciaux, ce qui assure une résistance spécifique élevée de l'épithélium (environ 6 MOhm-cm2). Un canal recouvert d'une si bonne isolation s'étend sous la peau et peut mesurer plusieurs dizaines de centimètres de long. Au contraire, la gelée remplissant le canal de l'ampoule Lorenzini a une très faible résistivité (de l'ordre de 30 Ohm-cm); cela est assuré par le fait que les pompes à ions pompent beaucoup d'ions K + dans la lumière du canal (la concentration de K + dans le canal est beaucoup plus élevée que dans l'eau de mer ou dans le sang des poissons). Ainsi, le canal d'un orgue électrique est un morceau d'un bon câble avec une résistance d'isolation élevée et un noyau bien conducteur.

Le "fond" de l'ampoule est posé en une seule couche par plusieurs dizaines de milliers de cellules électro-réceptrices, qui sont également étroitement collées. Il s'avère que la cellule réceptrice à une extrémité regarde à l'intérieur du canal, et à l'autre extrémité forme une synapse, où elle excite un médiateur excitant agissant sur une extrémité appropriée de la fibre nerveuse. Chaque ampoule contient entre 10 et 20 fibres afférentes et chacune donne de nombreux terminaux qui vont aux récepteurs, de sorte qu'en conséquence, environ 2000 cellules réceptrices agissent sur chaque fibre (faites attention à cela - c'est important!).

Voyons maintenant ce qui arrive aux cellules électro-réceptrices elles-mêmes sous l'influence d'un champ électrique.

Si une cellule est placée dans un champ électrique, alors dans une partie de la membrane le signe PP coïncide avec le signe de l'intensité du champ, et dans l'autre il s'avère être l'opposé. Cela signifie que sur une moitié de la cellule, la MP augmente (la membrane est hyperpolarisée), et d'autre part, elle diminue (la membrane se dépolarise).

L'action du champ électrique sur la cellule

Il s'avère que chaque cellule "ressent" des champs électriques, c'est-à-dire qu'elle est un électrorécepteur. Et c'est clair: dans ce cas, le problème de la conversion d'un signal externe en un signal naturel pour la cellule - électrique - disparaît.Ainsi, les cellules électro-réceptrices fonctionnent très simplement: avec le signe approprié du champ extérieur, la membrane synaptique de ces cellules est dépolarisée et ce changement de potentiel contrôle la libération du médiateur.

Mais alors la question se pose: quelles sont les caractéristiques des cellules électro-réceptrices? Un neurone peut-il remplir ses fonctions? Quelle est la disposition spéciale des ampoules Lorenzini?

Oui, qualitativement, tout neurone peut être considéré comme un électrorécepteur, mais si nous nous tournons vers des estimations quantitatives, la situation change. Les champs électriques naturels sont très faibles et toutes les astuces que la nature utilise dans les organes électrosensibles visent, d'une part, à capter la plus grande différence de potentiel sur la membrane synaptique et, d'autre part, à assurer une sensibilité élevée du mécanisme de libération du médiateur au changement MP.

Les organes électriques des requins et des raies ont une sensibilité extrêmement élevée (on peut dire, fantastiquement élevée!): les poissons réagissent aux champs électriques avec une intensité de 0,1 μV / cm! Le problème de la sensibilité est donc brillamment résolu dans la nature. Comment ces résultats sont-ils atteints?

Tout d'abord, le dispositif de l'ampoule Lorenzini contribue à cette sensibilité. Si l'intensité du champ est de 0,1 μV / cm et que la longueur de canal de l'ampoule est de 10 cm, une différence de potentiel de 1 μV sera nécessaire pour toute l'ampoule. Presque toute cette tension tombera sur la couche réceptrice, car sa résistance est beaucoup plus élevée que la résistance du milieu dans le canal.

Le requin utilise directement La loi d'Ohm: V = IR, puisque le courant circulant dans le circuit est le même, la chute de tension est plus importante là où la résistance est plus élevée. Ainsi, plus le canal de l'ampoule est long et plus sa résistance est faible, plus la différence de potentiel est fournie à l'électrorécepteur.

Deuxièmement, la loi d’Ohm est «appliquée» par les électrorécepteurs eux-mêmes. Différentes sections de leur membrane ont également une résistance différente: la membrane synaptique, où le médiateur se distingue, a une résistance élevée, et la partie opposée de la membrane est petite, donc ici la différence de potentiel est distribuée de manière plus rentable.

Quant à la sensibilité de la membrane synaptique aux décalages MP, elle peut s'expliquer par différentes raisons: les canaux de cette membrane ou le mécanisme d'éjection médiateur lui-même peuvent avoir une sensibilité élevée aux décalages potentiels.

A. L. Call a proposé une version très intéressante de l'explication de la haute sensibilité de la libération du médiateur aux changements de MP. Son idée est qu'à de telles synapses, le courant généré par la membrane postsynaptique s'écoule dans les cellules réceptrices et favorise la libération du médiateur; en conséquence, une rétroaction positive se produit: la libération du médiateur provoque une PSP, tandis que le courant traverse la synapse, ce qui améliore la libération du médiateur.

En principe, un tel mécanisme doit nécessairement fonctionner. Mais dans ce cas, la question est quantitative: quelle est l'efficacité d'un tel mécanisme pour jouer une sorte de rôle fonctionnel? Récemment, A. L. Vyzov et ses collaborateurs ont pu obtenir des données expérimentales convaincantes confirmant qu'un tel mécanisme fonctionne vraiment dans les photorécepteurs.