Электрические рыбы и бионика

Идеи различных изобретений человек, как правило, находил в окружающей его природе. Так, в первых проектах летательных аппаратов копировалось крыло птицы или летучей мыши. К изобретению самозатачивающихся инструментов привело исследование зубов грызунов. Создаются искусственные покрытия для подводных лодок, копирующие кожу дельфина, которая позволяет ему передвигаться в воде с большой скоростью при относительно небольших мышечных усилиях.

Помимо копирования биологического прототипа при конструировании различных систем возможно (и, видимо, наиболее целесообразно) использование самого принципа действия, разработанного природой в процессе эволюции. Работы в этом направлении привели к возникновению одной из самых молодых наук – бионики, в настоящее время быстро развивающейся.

Бионика – это наука о системах, копирующих функции живых организмов, о системах, которым присущи специфические характеристики природных систем или которые являются их аналогами. На практике бионика – это наука об использовании знаний о живых системах при решении тех или иных технических проблем.

Особенности реакций рыб на различные поля электрического тока послужили основой для разработки различных устройств, управляющих поведением рыб. Еще в 1919 г. ученые высказали мысль, что лов рыбы с применением электричества открывает широкие перспективы в ведении прудового хозяйства. Вначале использовалось лишь оглушающее действие электрического тока. В дальнейшем стали применяться агрегаты, привлекающие или отпугивающие рыбу благодаря создаваемым в воде электрическим полям различных параметров.

В настоящее время такие агрегаты с успехом используются на практике в пресноводных водоемах: реках, прудах, озерах, водохранилищах. Один из способов электролова – оснащение обычных сетных орудий лова (например, тралов) электродами, привлекающими рыбу в зону действия орудия. Так работают, например, отечественные электротраловые суда ПЭТС‑150Б, ведущие лов на Рыбинском и Цимлянском водохранилищах с 1965 г. Во внутренних водоемах ГДР с 1967 г. применяется электрифицированный трал, в основном предназначенный для лова угря.

Кроме электролова с использованием различных сетей, существует так называемый бессетевой электролов, основанный на использовании анодной реакции рыб для их привлечения, концентрации, частичного обездвиживания в результате электронаркоза. Рыба извлекается из воды с помощью механического устройства или рыбонасоса. Таким образом работает, например, отечественная установка ЭЛУ‑1 для электролова, размещаемая на двух лодках С помощью специальной аппаратуры вырабатывается постоянный ток напряжением до 520 В, который поступает на систему электродов (анод и катод), подвешенную в воде. Привлеченную током рыбу выбирают сачками.

Аналогичная установка ЭЛУ‑2 отличается тем, что работает на постоянном импульсном токе и может использоваться в водоемах с более широким диапазоном электропроводности воды. Бессетевой электролов рыбы с помощью рыбонасосов впервые был применен на лове камчатских лососевых на реках Озерной и Явиной.

В СССР применяется также батарейный агрегат «Пеликан», предназначенный для лова рыбы, сконцентрированной на глубине 1,5–2 м; его производительность – более 1–2 ц рыбы в час. Аналогичные агрегаты разработаны и в других странах.

В рыбном хозяйстве применяются и так называемые электрозаградители, отпугивающие или останавливающие рыбу. С помощью таких установок рыбу заставляют двигаться в определенном направлении. В этом случае электрическое поле, как правило, неподвижно и расположено поперек движения реки. Рыба, оказавшаяся в зоне действия поля, останавливается или уплывает обратно.

Устройство, создающее электрическое поле для отпугивания акул, разработано в США. Прибор устанавливается на траулере и ежесекундно излучает мощные импульсы длительностью 10 м/с через два буксируемых электрода. Малогабаритная модификация этого прибора, собранного на транзисторах, используется водолазами (электроды помещаются в скафандр). Источником тока в нем служат обычные сухие батареи, емкость которых рассчитана на 8–10 ч работы. Эксперименты показали, что акулы не приближаются к водолазу, снабженному подобным прибором, ближе, чем на 2 м. Прибор собран на транзисторах и заключен в водонепроницаемый корпус из эпоксидной смолы.

Сотрудниками Государственного научно‑исследовательского института озерного и речного хозяйства (ГосНИОРХ) разработана электрорыбозаградительная установка, предназначенная для отпугивания рыбы от гидротехнических сооружений: турбин гидростанций, оросительных каналов, в которых рыбы травмируются и гибнут. Установка состоит из большого количества электродов – стальных труб, забитых в грунт. На электроды поступает прерывистый переменный ток.

По такому же принципу работают электрогоны, используемые при лове рыбы. В качестве примера рассмотрим электрогон типа ЭРГ 1/8‑4. Он представляет собой однородную систему электродов, поддерживаемых на плаву полиэтиленовыми поплавками. На тележке, движущейся вдоль берега реки, установлен бензиновый двигатель с генератором мощностью 4 кВт, вырабатывающим ток напряжением 230 В. Через преобразователь и трансформатор ток по кабелю длиной 100 м поступает на электроды. Рыбаки, находящиеся по обоим берегам, тянут систему электродов вдоль реки, сгоняя рыбу в невод, установленный ниже по течению. Такой электрогон применяют на водоемах шириной до 50 м и глубиной до 2 м.

Методы лова, основанные на использовании электрических полей, имеют следующие преимущества: они универсальны (их можно применять для лова различных видов рыб с помощью разнообразных орудий лова) и эффективны (обеспечивают избирательность вылавливаемых рыб по виду и размеру, позволяют автоматизировать процессы лова).

Однако электродов в морских условиях находится пока еще в стадии экспериментов. Это вызвано большим расходом энергии даже при использовании полей импульсного тока. Тем не менее электролов морских рыб весьма перспективен, и в данном направлении ведутся многочисленные исследования и разработки. Так, в ГДР создана установка для электролова рыбы в море. Основа установки – импульсный генератор, вырабатывающий электрические импульсы; определены форма и частота, необходимые в различных условиях лова. Они подаются по кабелю на электроды, которыми оснащен трал, и создают электрическое поле. Действие поля распространяется на рыбу, находящуюся в его зоне, и препятствует ее уходу из орудия лова. Мощность импульсного генератора 75 кВт. В зависимости от напряжения электрическое поле может вызывать у рыб реакцию отпугивания или наркоза и даже гибель от шока. Эта установка позволяет вести лов на глубинах до 700 м. Уловы океанских траулеров ГДР, оснащенных такими установками, увеличились в среднем на 30%.

В СССР первые практические результаты бессетевого электролова с помощью рыбонасоса в морских условиях были получены в 1963 г. при ловле сайры. Рыбу сначала привлекали на свет. Затем создавали поле постоянного тока: катодом служил корпус судна, а анодом, к которому сайра подходила в результате анодной реакции,– всасывающие устройства рыбонасоса (рис. 18).

Основные препятствия на пути промышленного освоения такого способа лова – малая зона, в которой можно вызывать у рыб анодную реакцию. Опыты в этом направлении продолжаются, и установки бессетевого лова совершенствуются. Было, например, применено комбинированное воздействие на рыб полей импульсного и переменного непрерывного токов.

В 1971 г. на судне ГДР «Айсберг» специалисты ГДР и СССР проводили испытания устройства для электролова, в котором рыбонасос использовался совместно с сетным мешком (рис. 19). Это позволило вести лов на различных глубинах и отказаться от громоздких шлангов рыбонасоса.

Рис. 18. Схема бессетевого электролова рыбы с применением света

1‑3 – подводные электрические лампы, 4 – шланг рыбонасоса, 5 – анод импульсного тока, 6 – анод постоянного тока

Широкое промышленное внедрение различных способов электролова в море станет возможным в ближайшие годы.

Большое практическое значение имеет сопоставление биологических систем электролова, используемых электрическими рыбами, с существующими в настоящее время аппаратами промышленного электролова промысловых рыб. Приемы лова, используемые сильноэлектрическими рыбами, характер образуемых или импульсов и полей отработаны в процессе эволюции и, по‑видимому, являются оптимальными. Отличие действия электрических полей рыб по сравнению с полями агрегатов, созданных человеком, заключается в следующем Все электроловильные агрегаты характеризуются пассивным режимом работы, т. е параметры образуемых ими электрических полей неизменны. Однако чувствительность рыб разных видов к электрическому току и их реакции на действие электрических полей различны. Разнообразны также результаты воздействия одного и того же электрического поля на рыб определенного вида, но разных размеров. Воздействие на рыб электрических полей зависит, как уже говорилось, от температуры воды, ее электропроводности, содержания кислорода, времени года, физиологического состояния, а также от характера электрического поля.

Рис 19. Схема электролова рыбы с погружным насосом

1 – катод,

2 – анод,

3 – источник импульсного и постоянного тока,

4 – рыбонасос,

5 – мешок для накапливания

Таким образом, на поведение рыб при действии на них электрических полей влияют многочисленные факторы, которые в процессе лова могут изменяться. Между тем это не учитывалось при разработке существующих генераторов для электролова рыб. В этом отношении природа пока опережает человека. Электрические рыбы, использующие свои электрические поля для тех же целей, «работают» качественно иным образом – в активном режиме.

Все сильноэлектрические рыбы устанавливают активный контакт со своей жертвой (или врагом). Этот контакт осуществляется с помощью различных механизмов; зрения, слуха, осязания на расстоянии (использование органов боковой линии), а также пассивного пли активного (локационного) электрического чувства. Электрические рыбы – угорь, сом, скаты, некоторые звездочеты – на расстоянии следят за поведением своих жертв или врагов и, оценив их и свои возможности, применяют биоэлектрические поля определенной мощности, конфигурации и периодичности излучения. В результате достигаемый эффект бывает, как правило, оптимален. Так, сом, не имеющий электролокационной системы, оценивает свою жертву, активно двигаясь и излучая сильные электрические разряды. Разряды стимулируют жертву, заставляя ее активно двигаться и создавать потоки воды, благодаря чему сом получает информацию о жертве с помощью органов чувств боковой линии. В соответствии с размером жертвы он использует разряды определенного характера.

Таким образом, основное принципиальное отличие искусственных систем электролова от природных – отсутствие контроля над состоянием и поведением объекта лова и управления работой электрогенератора. Иными словами, отсутствуют обратная связь и система управления по заданной программе. Кибернетический подход при разработке электрических устройств для привлечения или отпугивания рыб, несомненно, перспективен. Такие устройства позволят вылавливать рыбу определенного вида и не травмировать других рыб.

Другое преимущество природных приемов лова и отпугивания рыб, основанных на применении электрических полей, состоит в том, что электрические рыбы, как правило, используют комбинации сигналов разной модальности. Параллельно с генерированием электрических полей определенного характера они излучают электрические поля иных параметров, звуки, оптические сигналы, а также используют побочные действия электрического тока (гидродинамические возмущения, обогащение воды кислородом). Угорь, например, во время охоты часто комбинирует постоянное и импульсные поля. В заморных водоемах его разряды обогащают воду кислородом, который и привлекает к угрю мелких рыб и лягушек. Американский звездочет подманивает жертву, периодически выбрасывая красный язычок, похожий на червяка. Хищник оглушает электрическим разрядом подплывающих рыб и захватывает их.

Электрический сом в оборонительных ситуациях совместно с электрическими разрядами испускает характерные резкие шипящие звуки. Такие звуки, хорошо распространяющиеся в воде, усиливают действие электрических полей (безусловнорефлекторный раздражитель) и приобретают значение сигнала предупреждения (условнорефлекторная реакция). Воздействие электрических пульсирующих полей, сопровождающихся акустической пульсацией такой же частоты, может привести верховку в шоковое состояние (электронаркоз), хотя напряженность этих полей недостаточна для достижения подобного результата.

Эффективность воздействия на рыб электрических полей в комбинации с другими сигналами очевидна. Между тем в практике рыбного хозяйства разработки устройств, основанных на комплексном действии различных сигналов, только начинаются. Так, при разработке некоторых приемов бессетевого лова электрические поля удачно комбинируются со светом.

В Мексиканском заливе была испытана система, которая состояла из стоящей на якоре платформы, окруженной большим количеством пластиковых плотов, напоминающих по форме палатки. Известно, что в дневное время некоторые виды рыб ищут затемненные места, где чувствуют себя в большей безопасности, и собираются под плавающими на поверхности воды предметами. В данном случае рыбы днем собирались под плотами, а с наступлением темноты свет электрических ламп привлекал их к центральной платформе, где под воздействием электрического поля они сразу же попадали в зону всасывания рыбонасоса.

Для отпугивания рыб от плотин эффективно применение электрических полей в сочетании со звуковыми сигналами. В спортивном рыболовстве возможно применение электрических удочек, привлекающих рыбу с помощью двух различных раздражителей: обычной, «зрительной», приманки и электрического поля, вызывающего у рыб анодную реакцию – стремление приблизиться к положительному электроду.

Таким образом, одно из перспективных направлений при разработке новых приемов использования электрических полей в рыбном хозяйстве – комбинирование их с другими сигналами.

Большой интерес для электробиологии представляет сопоставление полей, используемых электрическими рыбами для лова и обороны, с полями, применяемыми в практике рыболовства. Все рыбы и в пресной и в морской воде создают импульсные электрические поля: в морской воде, в связи с ее большей проводимостью, они характеризуются невысокой напряженностью и значительной плотностью тока, в пресных водоемах имеют высокую напряженность и малую плотность тока. Электрические поля постоянного тока рыбы не применяют, по‑видимому, из‑за большого расхода энергии для их генерации.

Каковы характеристики импульсных электрических полей рыб и их отличие от полей, разработанных экспериментально и применяемых в практике рыболовства?

Относительно действия на рыб искусственных импульсных электрических полей существуют различные, иногда противоречивые мнения. Большинство исследователей, сопоставляя действие импульсных и постоянных или переменных полей, утверждают, что импульсные поля обычно не возбуждают у рыб анодной реакции, а лишь отпугивают их. Однако электрические рыбы, используя импульсные поля, фактически управляют поведением своих жертв или врагов, заставляя их двигаться к себе или спасаться бегством. Характерно, что импульсные поля, применяемые всеми электрическими рыбами для привлечения жертв и обороны, различны.

Так, охотничьи разряды сома состоят из гораздо большего количества импульсов, чем для обороны. Если оборонные включают 3–67 импульсов, то охотничьи – 14–462 импульсов (в среднем меньше 300). Другая отличительная особенность – различие в характере изменения частоты их следования. В оборонных разрядах частота следования импульсов снижается резко быстро, в охотничьих – медленно, постепенно.

Длительность и число импульсов в охотничьих разрядах связаны с соотношением размеров сома и его жертвы. При захвате и заглатывании мелких объектов разряды относительно коротки – в среднем 71,2 импульса. Сом длиной 16 см при захвате рыбы размером 5,5 см (менее 30% длины сома) генерирует до 297 импульсов (при средней продолжительности разряда 4,8 с). В технике электролова, основанного на импульсных полях постоянного тока, количеству импульсов, обеспечивающих анодные реакции, придается большое значение.

По мнению некоторых ученых, от числа импульсов зависит эффект привлечения, отпугивания или оглушения рыбы. Исследования показали, что для каждого вида (и размера) рыб в привлекающем или отпугивающем их электрическом разряде существует оптимальное количество импульсов. В процессе охоты частота следования импульсов у сома меняется. Она увеличивается или уменьшается в зависимости от поведения и состояния жертвы. В самом начале частота следования импульсов достигает максимальной величины (до 150 импульсов в секунду при температуре 28°), а в конце она падает. Но снижение частоты в зависимости от поведения объекта может смениться повторным и даже многократным ее возрастанием. Амплитуда разрядов и импульсов сома относительно невелика (180–360 В). У сома длиной 21 см средняя мощность разряда обычно составляет 8 Вт, а максимальная мощность каждого импульса – 32 Вт.

Ученые, исследовавшие действие на рыб сильных электрических полей, установили, что анодная реакция проявляется у них при определенных значениях как частоты импульсов, так и напряжения. Для пресноводных рыб длиной от 6 до 27 см критические значения частоты следования импульсов, вызывающих анодную реакцию, составляют 30–100 импульсов в секунду. Разряды с более высокой частотой импульсов при тех же величинах амплитуды вызывают у рыб электронаркоз. Таким же образом влияет на рыб и увеличение амплитуды (напряжения) импульсов.

Токи, используемые при электролове пресноводных рыб, обычно достигают напряжения 800 В при мощности импульсов 80–400 Вт. Поэтому естественно, что электрические агрегаты, работающие в постоянном режиме (при неизменной частоте и напряжении импульсов), создают не только зону привлечения (вдали от электродов), но и зону наркоза вблизи электродов, в которой рыба впадает в шок и гибнет. Именно в связи с этим применение существующих агрегатов для лова рыбы наносит существенный ущерб рыбному хозяйству.

Импульсы же, используемые для охоты электрическими рыбами (угрем, сомами и др.), имеют характерную форму и продолжительность. Как правило, это импульсы с крутым фронтом нарастания тока и постепенным его снижением. Другими словами, в начале импульса напряжение быстро повышается, а затем постепенно снижается. У электрического угря такие импульсы имеют пилообразную форму (см. рис. 4), у электрического сома форма импульсов сходна с формой нервно‑мышечных импульсов (см. рис. 5).

Импульс электрического сома длиной 15,5 см имеет длительность, равную 1,88 мс. Резкое возрастание амплитуды длится 0,66 мс, а постепенное снижение – 1,22 мс.

Целесообразно сопоставить форму и продолжительность импульсов электрических рыб с аналогичными характеристиками оптимально действующих импульсов, полученных в опытах по действию на рыб искусственных электрических полей. Оказывается, что наиболее эффективно на рыб действуют именно импульсы с крутым фронтом нарастания тока и постепенным его снижением при продолжительности импульса 1–1,5 мс. Это же подтверждают некоторые ученые, исходя из представлений физиологии нервно‑мышечной системы.

Экспериментально установлено, что при малых значениях продолжительности импульсов (менее 1 мс) наименьшее напряжение, при котором у рыб появляется первичная реакция, требуется при использовании импульсов прямоугольной формы. Почему же импульсы некоторых электрических рыб «неоптимальны»? Ответ довольно прост. Для генерации прямоугольных импульсов (продолжительностью менее 1 мс) требуется больший расход мощности, чем для импульсов, используемых электрическими рыбами.

Таким образом, работа природных систем электролова и работа промышленных электроагрегатов по принципу действия различны, хотя форма импульсов электрических рыб близка к применяемой в промысле. Природные основаны на комплексном действии сигналов; промышленные, как правило,– на использовании только электрического поля. Первые характеризуются активным режимом, вторые – пассивным. Импульсы рыб, используемые при охоте, отличаются от искусственных большей длительностью, большей частотой следования и сравнительно малой мощностью. При этом надо иметь в виду, что создаваемые рыбами электрические поля невелики. Очевидно, что принципы действия природных систем электролова рыб более эффективны, чем используемые в промышленном рыболовстве, и это необходимо учитывать при разработке и совершенствовании электроловильных установок.

Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации и связи рыб. Передача сигналов в воде с помощью электрических полей имеет большое преимущество, так как радиоволны в водной среде практически не распространяются, а недостатком акустической локации и связи является высокий уровень фоновых шумовых помех. Как известно, пока электрической связи в подводной технике не существует. В настоящее время как в Советском Союзе, так и за рубежом ведутся серьезные работы по созданию подобной аппаратуры. Проведенное советскими исследователями неполное техническое моделирование электрической системы связи рыб уже привело к разработке устройства, позволяющего осуществлять передачу информации из воды в воздух. Дальнейшие работы в этой области будут иметь огромное значение для развития техники подводной связи, столь необходимой, например, в океанологии и рыбном хозяйстве.

Заключение

Изучение электрического мира рыб открывает увлекательные перспективы для исследователя. В этой области еще много белых пятен. Помочь ихтиологам и физиологам перейти от гипотез к точному пониманию того, как действует, например, система электролокации рыб, могут физики и ученые других специальностей.

Каким образом рыбы координируют одновременный разряд отдельных электрических пластинок (ведь они находятся на разных расстояниях от центральной нервной системы)? Где находится центр, «запускающий» электрические генераторы рыб? Почему мощный разряд сильноэлектрических рыб не влияет на их собственную нервную систему? Какие стадии прошла электросистема рыб в своей эволюции? Наконец, как выработались электрические органы и рецепторы в процессе естественного отбора? Все эти вопросы еще ждут определенного ответа.

Несмотря на всю сложность теоретических вопросов электробиологии, некоторые ее достижения уже сегодня могут быть использованы на практике, прежде всего в рыбном хозяйстве. Приемы, используемые электрическими рыбами при лове добычи и обороне от врагов, отшлифованы эволюцией и являются природными моделями технических решений при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Дальнейший анализ электрической сигнализации и ориентации рыб будет способствовать возникновению новых приемов управления их поведением.

Мировой океан содержит огромные запасы пищевых ресурсов, которые в настоящее время практически но используются или используются нерационально. Рыбный промысел ведется по принципу простой охоты – «ищем, что есть, ловим, что можем». А между тем специалисты подсчитали, что с 1 га поверхности океана без ущерба для его ресурсов можно брать рыбы по весу в 2 раза больше, чем мяса с 1 га лучших пастбищ. Возможно, в будущем, используя сигнализацию рыб, человек научится их «пасти», регулировать численность, оберегать от врагов. Уже сейчас возможна разработка приборов для бесконтактной диагностики состояния, учета и пеленгации некоторых (особенно стайных) видов рыб.

В настоящее время на промысле широко используются сетевые зонды – гидроакустические приборы для прицельного лова рыбы, устанавливаемые на тралах. Они передают на судно по кабелю или гидроакустическому каналу информацию о положении косяка и раскрытии орудия лова. При использовании электрического канала связи аппаратура будет иметь меньший вес и более высокое качество связи.

Ученые еще мало знают о животном мире больших глубин. Не исключено, что биоэлектрические поля и сигналы используют не только рыбы, но, например, глубоководные кальмары или животные, о существовании которых человек пока не подозревает. Изучение биоэлектрической сигнализации поможет открыть многие тайны океана.