科學解釋電魚是如何發電,為什麼它電不著自己?

2021-01-08 科技領航人

「電魚在電器官的幫助下發電。這些電器官已經修改了稱為電細胞的肌肉細胞,產生電能。」

18世紀和19世紀是電氣化時代!路易吉·加爾瓦尼通過電擊一隻青蛙來觀察它的肌肉是否會抽搐(他們這樣做了),他發現了動物電;亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏特一直致力於製作最終成為現代電池的東西;亞歷山大·馮·洪堡一直質疑電,無論是動物電,還是金屬電;而麥可·法拉第揭示了電和磁內在聯繫。

麥可·法拉第揭示了電和磁內在聯繫。

信不信由你,這些優秀的科學家們工作的共同線索是電鰻。

多年來,電鰻啟發了科學家,成為藝術和音樂的主題。科學家最近發現,這種亞馬遜棲息的魚(它的名字是一個錯誤的名稱,因為它實際上是一種刀魚)實際上是三種不同的魚 :電鰻、電鰩和電鯰。這些魚如何產生高達860V的電壓?

圖註:電鰻具有超強電能的魚之一,最近發現的電鰻可以產生高達860V的電力。它生活在亞馬遜河中,體型長到2.4米。電鰻並不是唯一能發電的魚。有許多魚以不同的能力發電。廣義上說,有兩種類型的電魚,弱電魚和強電魚。弱電魚,如彼得象鼻魚和黑鬼刀魚不能產生足夠的電來電擊任何東西,但它作為一個感官器官,幫助它們與周圍環境溝通和互動。

強電魚是指那些會產生電衝擊波,可以造成傷害。電鰻,屬於裸背電鰻科家族的刀魚,是這些品種中最受歡迎的一種。電鰩、電鯰跟電鰻一樣,一樣能發出強大的電衝擊波。這些魚使用它們的電力來達到各種目的,從通信和電定位狩獵或防禦。

器官和電池

電魚通過專門的電器官產生電能。例如,電鰻的電器官佔據了魚身體的2/3,它被分成三個不同的部分,每個部分產生不同性質的電流。主器官和Hunter器官產生高劑量電流,而Sach器官負責低電壓。電光魚的頭部兩側有兩個大型電器官(有些可能尾有電器官),而彼得象鼻魚的尾巴附近有電器官。

電魚的頭部兩側都有電器官。

在器官內有稱為電細胞的細胞,排列成層疊的列,多個列相互平行,其間充滿體液。電細胞是肌肉(在大多數情況下)或神經源的修飾細胞,這些細胞產生鰻魚的電脈衝。列中的電核細胞數量和列數決定了魚能產生多少電量。

電細胞如何產生電能是令人著迷和特殊的問題。電細胞有兩個側面,一個是由運動神經支配的後側,另一個是起伏和輕微隆起前側。其膜有許多微小的蛋白質通道,選擇性地允許鈉 (Na+) 和鉀離子 (K+) 流入和流出細胞。

電細胞通過泵出Na+和K+離子,在外部(相對)環境中保持正極和負極。在神經系統(由運動神經元攜帶到電細胞)的指導下,電細胞產生偶極子。

電魚中的電細胞如何產生電流的圖表表示

來自運動神經元的信號導致後側的離子通道將 Na+ 和 K+ 泵入細胞,而前側繼續將正離子泵出細胞。這給細胞的後側一個相對正的電荷(在細胞內部)和前側一個負電荷(在細胞內部)。瞧,一個偶極子已經形成,魚產生了電。

一個電細胞本身起不到什麼作用,但一個拳頭包大小內的電細胞的堆疊方式,就會影響其產生的電能的形式(魚是優先處理高電壓,反之亦然),例如,電鰻在一列中可以有多達6,000個電細胞。電鰩(具有許多較短的列,每列有 1,000 個電核,因而電光魚優先增加電流而不是電壓。

電擊模式:

電魚可以脈衝或波形(波形)的方式發射電器官放電(EOD)。此外,它們還可以產生直流電(單相)或交流電、交流電(雙相電)。

Brachyhypopomus walteri,一種弱電魚,尾巴長,橙色鱗片斑,產生交流脈衝,當轉換成聲音時,聽起來就像"砰砰"聲。

產生電波的電魚是弱電魚,因為不斷放電的魚一直在消耗能量。它們的放電的振幅不如一些脈衝發光的電魚高,但它們的波模式確實允許它們的電信號隱藏在檢測之外,因為大多數掠食性魚類可以感應到直流脈衝(如捕食性電鰻和電鯰魚)。

魚用電是幹什麼用的?

大多數電魚使用電作為感官工具,很像視覺和觸摸。對於淡水魚,如生活在亞馬遜黑暗海水中的電鰻和電鯰魚,電替代了視覺。魚發出電場(通過其EOD),其細胞膜上的感受器收集其周圍環境的信息。這些電感受器(在電鰻和電鯰魚中皮膚上有明顯的坑)起著伏特計的作用,感知其周圍環境引起的電場變化,並確定是否有東西可以作為晚餐。此圖顯示一條刀魚使用其電定位。

圖註:彼得象鼻魚(Gnathonemuspetersii)是一種弱電魚,它使用電器官作為感官裝置,讓它"看到"周圍的環境,這稱為電定位。有時,兩條放電頻率相似的電魚相互碰撞,導致它們的電場重疊。為了防止兩個信號引起的幹擾,電魚想出了一個巧妙的機制,稱為幹擾避免機制。幹擾避免機制是當兩條魚將改變其放電頻率遠離它們的鄰居。它們根據其他魚的EOD收集信息,然後相應地改變自己的信息。神經科學家對電魚如何迅速作出反應以改變他們的電場非常著迷。

另一方面,放強電的電鰻用它們的電擊電壓來狩獵。新發現的電鰻可以產生高達860V的電力,足以使小型獵物疲憊不堪,並給大型哺乳動物帶來輕微但令人吃驚的電擊。

電鰻的狩獵策略特別有趣。它發出強EOD的脈衝來擾亂獵物的神經系統。在最初的脈衝波後,它發出更強的電脈衝,以擊暈獵物。範德比爾特大學的研究人員肯尼思·卡塔尼亞發現,電鰻蜷縮在獵物周圍,然後,發出電擊使獵物完全癱瘓。這種蜷縮隱藏策略允許鰻魚最大化其電擊影響。

電鰻的頭部是正極,尾部為負極。由於正電荷通過其電器官的流動方向,魚具有偶極子性質。它將其正電荷頭置於獵物的一端,將帶負電荷的尾巴置於另一端,然後發出電脈衝。一旦工作完成,鰻魚就會吞下它的獵物!

為什麼電魚電不著自己呢?

強電魚的電器官用脂肪和結締組織所填充。當魚釋放其電脈衝,這些組織將魚與它們自己的電攻擊性組織絕緣開來。人們還發現,電魚的基因為電魚提供某種絕緣。

體型大小也起著一定的作用。大多數掠食性強的電魚比獵物大很多。有些電鰻體型可以達到2.4米的大小。它們的電流會把較小的獵物炸飛,但是對它們更大的身體沒有多大影響,就像它不會對成年人造成嚴重影響一樣。

當從水種把電魚撈出來時,電魚也會抽搐

話雖如此,電魚並不完全防電擊。特別是當從水種把電魚撈出來時,許多人已經注意到,電魚會抽搐。這因為空氣不允許電荷像水(尤其是鹹海水)一樣迅速地從魚體內消散。

並不是只有過去的科學家是受到大自然如何利用電的啟發的人。弗裡堡大學和密西根大學的一組研究人員用電細胞作為靈感,製造了一種由凝膠狀物質製成的軟電池。研究小組希望他們的工作能用於某些醫療程序種。電魚仍然有很多東西可以教科學家如何進行電定位工作,以及這些閃閃發光的魚是如何進化的。可能還有更令人震驚電魚秘密等待科學家來揭秘!

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