Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 6 – vyšlo 10. února, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Vnímanie elektrického poľa živočíchmi

Vladimír Scholtz

Vnímavosť k elektrickému poľu je u vodných živočíchov celkom bežná a preskúmaná skutočnosť. Ako prvá bola pravdepodobne popísaná v práci [1] z roku 1917, ktorá sledovala vnímavosť sumcov ku kovovým tyčkám ponoreným do vody. V priebehu času bola vnímavosť k elektrickému poľu vo vodnom prostredí, pomocou ktorej predátori vyhľadávajú korisť (v kalných vodách, v bahne alebo zahrabanú do dna), pozorovaná aj u žralokov, rají, niektorých obojživelníkov a kostnatých rýb (tu bola vyvinutá nezávisle niekoľkokrát), delfínov, vtákopyskov alebo ježúr.

Laserová vibrometrie – metoda pro bezkontaktní měření výchylek nebo vibrací těles. Laserový paprsek je rozdělen na referenční a měřicí svazek. Měřicí svazek se odráží od zkoumaného povrchu a při zpětném složení interferuje s referenčním svazkem. Z průběhu interference je možno usuzovat na změny polohy zkoumaného povrchu.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Detekcia vo vode, Lorenziniho ampula

Prvý špecializovaný elektrosenzor objavil u žralokov taliansky lekár a námornícky bádateľ Stefano Lorenzini v roku 1678, dnes nazývaný Lorenziniho ampula – samozrejme v tej dobe nerozpoznal schopnosť tohto orgánu vnímať elektrické pole, to sa s istotou ukázalo až v roku 1960 v práci [2]. Pôvodne sa predpokladalo, že Lorenziniho ampula je vnímavá na teplotu, tlak alebo slanosť vody – čo je pravdepodobne aj pravda. Lorenziniho ampula (obrázok 1) je malá rúrkovitá dutina vyplnená elektrolytickým rôsolom, ktorý má elektrický potenciál okolitej vody a epiteliálne bunky vo vnútri dutiny reagujú na rozdiel potenciálov tela a okolitej vody. Pre porovnanie je ešte na obrázku 2 vidieť podobný orgán delfínov. Ostatné typy vodných elektrosenzitívnych orgánov už ďalej ukazovať nebudeme, prehľad vybraných je možno nájsť napríklad v knihe [3], kap. 41. Je ale možné pozorovať všeobecný trend tzv. evolučnej konvergencie, keď sa nezávisle vzniknuté orgány určené k podobnému účelu vzájomne podobajú.

Obr. 1: Lorenziniho ampula – rozloženie na prednej časti žraloka, fotografia žraloka s viditeľnými otvormi Lorenziniho ampúl a detailný obraz Lorenziniho ampúl. Prevzaté z Wikipedia/Shark Attacs.

Obr. 2: Orgány delfína brazílskeho citlivé na elektrické pole – umiestnenie na tele
delfína a ich detailný rez. Zdroj: Nicole Czech-Damal.

Z pohľadu fyziky je detekcia elektrického poľa živými organizmami vo vode relatívne jednoduchá analógia ampérmetra. Elektrická vodivosť tiel organizmov je totiž podobná elektrickej vodivosti vody a prítomnosť tiel toto elektrické pole neovplyvňuje natoľko, aby nebolo merateľné. Vodivosť mäkkých tkanív živočíchov je približne 0,1÷1 S/m, vodivosť povrchovej vody 0,05÷0,1 S/m a morskej vody až 5 S/m.

Detekcia vo vzduchu

Odlišná situácia ale nastáva vo vzduchu, ktorého elektrická vodivosť je iba 10⁻¹⁵ S/m. V takto málo vodivom prostredí spôsobí prítomnosť živočíšneho tela „skrat“ a v jeho vnútri nebude vonkajšie elektrické pole merateľné. (Napríklad elektrické pole v atmosfére dosahuje až 100 V/m, ale akonáhle doň vstúpime, rádový rozdiel vodivosti ho v našom tele vyskratuje a elektrické pole naše telo obteká a vzduch „nekope“). Avšak, aj napriek tomu sa ukazuje, že niektoré druhy hmyzu sú schopné elektrické pole vo vzduchu detegovať. Navyše, na rozdiel od vodného prostredia, vo vzduchu môžu živočíchy elektrický náboj cielene presúvať. Môžu ho napríklad kumulovať na povrchu tela počas letu pri obtekaní vzduchom a tento náboj si pri vzájomnom kontakte medzi sebou alebo pri kontakte s kvetom vymieňať a používať ho ako ďalší nástroj komunikácie. Na rozdiel napríklad od farby kvetu, môže sa elektrické pole meniť prakticky okamžite a môže umožniť veľmi dynamickú komunikáciu medzi kvetom a opeľovačom. Podľa práce [4] sú čmeliaky schopné vnímať statické elektrické pole kvetov, ktoré, podobne ako farba, láka opeľovače. Práca [5] zase popisuje vnímavosť včely medonosnej k elektrickému poľu, ktoré aj sami vytvárajú v priebehu letu, pristávania, lezenia alebo pri včelích tancoch. Na obrázku 3 je napríklad znázornené elektrické pole, ktoré vytvára jedna včela pri dorozumievacom tanci (pozri video).

Obr. 3: Včelí orientačný tanec – pohľad na včelu pri dorozumievacom tanci obklopenú ostanými včelami a záznam elektrického poľa vyvolaného týmto tancom. Elektrické pole je zobrazené pre 1 500 ms (dole) a pre krátky výrez z tohto priebehu rozdelený na nízkofrekvenčnú zložku do 70 Hz (hore) a zložku vyšších frekvencií (stred). Prevzaté z Waren Photografic a [5].

Ako sme už uviedli, princíp vnímania elektrického poľa vo vzduchu nemôže byť založený na meraní elektrického prúdu ako vo vode, ale na meraní elektrostatickej sily. Podobne, ako keď nám nabité predmety priťahujú kúsky papiera, alebo keď nám pri česaní vstávajú vlasy. Včely aj čmeliaky by mohli byť schopní detegovať statické aj premenné elektrické pole do frekvencie niekoľkých kHz pomocou elektrostatických síl pôsobiacich na ich tykadlá a telové chĺpky. To potvrdili práce [5] a [6], keď študovali chovanie tykadiel a chĺpkov včiel a čmeliakov v elektrickom poli pomocou laserovej vibrometrieLaserová vibrometrie – metoda pro bezkontaktní měření výchylek nebo vibrací těles. Laserový paprsek je rozdělen na referenční a měřicí svazek. Měřicí svazek se odráží od zkoumaného povrchu a při zpětném složení interferuje s referenčním svazkem. Z průběhu interference je možno usuzovat na změny polohy zkoumaného povrchu. (pozri video). Obrázok 4 ukazuje závislosť rýchlosti, výchylky a uhlovej výchylky tykadiel a chlpov čmeliaka vo vonkajšom elektrickom poli.

Obr. 4: Fotografia čmeliaka a zobrazenie závislosti rýchlosti, výchylky a uhlovej výchylky tykadiel a chlpov čmeliaka na vonkajšom elektrickom poli. Prevzaté z Fruitworld Media a [6].

Ako je vidieť, tykadlá sú citlivé na elektrické polia s frekvenciami do 1 kHz, zatiaľ čo chlpy vykazujú maximum v oblasti 1 až 5 kHz. Ako vyplýva z uvedených prác, včely aj čmeliaky majú vhodné prostriedky k vnímaniu elektrického poľa, k ich vnímaniu sa však musia premeniť na nervové impulzy. Aj to bolo predmetom uvedených prác, ktoré dospeli k záveru, že zatiaľ čo čmeliaky prevádzajú stimuláciu elektrickým poľom na nervové impulzy iba v prípade chlpov a stimulácia tykadiel u nich nevedie k nervovej odozve, u včiel bola pozorovaná výrazná odozva pri stimulácii tykadiel (odozva chlpov nebola predmetom štúdie), ktorá je uvedená aj na obrázku 5.

Obr. 5: Celková odozva akčného potenciálu (nervovej aktivity) z Johnstonovho orgánu na tykadlách včely na vonkajší podnet pohybujúceho sa elektrického náboja. Prevzaté z práce [5].

Videá

Laserová vibrometrie je metoda pro bezkontaktní měření výchylek nebo vibrací těles. Laserový paprsek je rozdělen na referenční a měřicí svazek. Měřicí svazek se odráží od zkoumaného povrchu a při zpětném složení interferuje s referenčním svazkem. Z průběhu interference je možno usuzovat na změny polohy zkoumaného povrchu.. Zdroj: YT. (mp4/h264, 3 MB)

Včelí tanec. Zdroj: vcelky.cz. (mp4/h264, 5 MB)

Odkazy