Морские ежи и их удивительная способность получать электричество из воды

Скелет морских ежей, как и всех иглокожих, состоит преимущественно из кальцита – одной из форм карбоната кальция. Иглокожие в этом смысле не слишком оригинальны: кальцит – один из самых распространённых биоминералов, он есть в раковинах и скелетных структурах множества живых существ, от известковых водорослей до млекопитающих. Но у иглокожих кальцит образует совершенно особую структуру под названием стереом. Это одновременно трёхмерная решетка и монокристалл, который начинает формироваться из аморфной жидкой субстанции-предшественника. Твердеет он таким образом, что у него не образуется кристаллических граней – все поверхности в стереоме скруглённые.

Скелет иглокожих сложен, состоит из множества элементов, но каждый элемент – это кальцитный монокристалл-стереом. Перемычки в его решётке и размер пор между ними меняется в зависимости от конкретного биологического вида, от скелетного элемента и даже в пределах одного и того же элемента. Как раз с этой изменчивостью трёхмерной решётки стереома в пределах одного элемента и связан электрический феномен, описанный в недавней статье в Nature.

Сотрудники Городского университета Гонконга экспериментировали с иглами морского ежа Diadema setosum. На его иглы (достаточно длинные, до 70 см) направляли поток воды, когда они сами были погружены в воду, или же на них капали морской водой, предварительно вытащив ежа, так сказать, на сушу. В обоих случаях между основанием и вершиной иглы возникало электрическое напряжение в 30–120 милливольт, причём возникало оно одинаково как у живых, так и у мёртвых ежей. Поры в стереоме игл меняются от основания к вершине – у основания они крупнее. Исследователи пришли к выводу, что градиент размера пор и создаёт такой электрический эффект. Вода проходит через них, но скорость потока в мелких порах больше, чем в крупных. Из-за этого отличаются свойства двойного электрического слоя, образующегося из ориентированных полярных молекул на границе раздела фаз, то есть на границе между иглой и водой.

Чтобы между вершиной и основанием иглы морского ежа возникало электрическое напряжение, игла должна быть в потоке воды; если вода перестаёт двигаться, напряжение исчезает. Напряжение возникает быстро, за 88 миллисекунд. Морские ежи могли бы чувствовать электрические изменения на своих иглах, чтобы лучше ориентироваться в потоках воды вокруг себя. Но ощущения ежей здесь ещё предстоит изучить; пока что исследователи только описали любопытный гидро-механо-электрический феномен.

Поры в иглах, естественно, должны быть пустые, и авторы работы утверждают, что они и были пустые, даже у живых морских ежей, однако многие специалисты полагают, что поры стереома иглокожих заполнены живыми клетками. Поэтому ещё предстоит дополнительно убедиться в том, что вода действительно может течь сквозь образующий иглы стереом. Но, как бы ни обстояли дела у самих ежей, этот феномен можно использовать, например, в датчиках, работающих в водных растворах.