如何隨時充電?把自己變成電池
2020年12月11日20:04

原標題:如何隨時充電?把自己變成電池

原創 霜天蛾 物種日曆

上世紀90年代末在中國出版的科普探險小說《哈爾羅傑曆險記》是許多動物愛好者的童年啟蒙,這套小說情節引人入勝,涉及動物的知識也大部分準確可靠,但有些情節,尤其涉及到人與動物的互動,又極盡誇張離奇,充滿人類主觀視角的不切實際與一廂情願。總的來說,瑕不掩瑜。

其中有一段情節,是主角兄弟倆在亞馬孫河上遇到土匪,哥哥被打倒在地,下一秒就要被一槍崩了。正好兄弟倆之前抓了一條電鰻,眼看哥哥頭上寫了個大大的危字,弟弟急中生智,抓起電鰻就劈頭蓋臉抽過去,就好像手持一條活的閃電鞭,都用不著五鞭,啪的一鞭就纏住了土匪的脖子,把土匪打得不省人事。

電鰻向著裝了led燈的玩具鱷魚發起攻擊。圖片:Kenneth C. Catania / PNAS (2016)

帶電“飛刀”

世界上約有10科350種魚類能夠發電,絕大部分是弱電魚,所發出的電壓通常小於1伏,主要用於導航、目標探測、通訊交流和求偶等。這一類魚中有不少用於水族館和家庭觀賞,如裸背魚目的圭亞那裸背鰻(虎紋飛刀)Gymnotus carapo、線翎電鰻(魔鬼刀)Apteronotus albifrons、青色埃氏電鰻(玻璃飛刀)Eigenmannia virescens,以及骨舌魚目的彼氏錐頜象鼻魚Gnathonemus petersii等。

左上角淺色小魚,一種裸背魚目的弱電魚Eigenmannia virescens;中間黑白圖片,骨舌魚目的弱電魚Chitala chitala;中文名鎧弓魚;右側黑色魚,線翎電鰻;左下角細長魚,一種骨舌魚目的弱電魚Gymnarchus niloticus。圖片:Wikimedia Commons知名度更高的電魚三巨頭——電鰻、電鰩和電鯰屬於強電魚類,能夠發出數百伏的高壓電,用於捕食和禦敵。在《哈爾羅傑曆險記》中也有關於電鰩的情節,同樣奇幻,在一次海洋潛水中,主角拿著一條電鰩,抽別人的屁股;另一次新幾內亞之旅中,他們用電鰩投喂大灣鱷,將其麻翻後捕獲。此外,還有一類貌不驚人的瞻星魚Uranoscopus spp.能夠發出50伏的電壓,算是“中電魚”。

長相怪異的瞻星魚。圖片:Rickard Zerpe / Wikimedia Commons電鰻雖然帶個鰻字,但跟那些常被端上餐桌的鰻鱺目種類沒有親緣關係,它跟那些用於觀賞的“飛刀”一樣,都屬於裸背魚目。所謂裸背,是指這類魚身體細長,沒有背鰭和腹鰭,好似一把刀。它們臀鰭延長,與尾鰭融合在一起,形成一條長長的“裙邊”,在水中如波浪一般起伏推動身體前進或倒退,姿勢很是優雅。

不是一種,是三種

電鰻可以長到2~2.5米,體重20公斤,是裸背鰻目里體型最大的一類。就算是在亞馬孫河這種地獄難度的生存環境中,如此體型也是相當駭人的。它的長相更是讓人印象深刻,臉扁口闊,好像鯰魚和黃鱔的混合體。眼睛近似退化,小如綠豆,幾乎全是淺色的,頗有邪惡之感。頭部佈滿凹坑麻點,更是讓人分不清哪是鼻子哪是眼。

電鰻棲息在亞馬孫河和奧里諾科河流域的沼澤、淺灘和小河中,以泥濘水底的無脊椎動物和小魚為食。這類水域環境能見度很差,但電鰻依靠自身發出電脈衝探測周圍環境,可以在渾濁的水中遊刃有餘地活動與捕食。它頭部的那些凹點也具有機械傳感器的作用,可以感受微弱水流變化。

電鰻長著一張怪異的臉。圖片:opencage / Wikimedia Commons

電鰻的呼吸系統也高度適應這種含氧量低的水域,它所需的80%氧氣來自口腔呼吸,其口腔上皮組織形成密集的褶皺突起,富含血管,用來直接呼吸空氣。由於呼吸系統的特化,電鰻必須頻繁浮上水面呼吸,但也可以在乾旱季節的枯竭水域中存活很久。

數百年來,人們一直認為電鰻屬只有一個廣泛分佈於亞馬孫河流域的物種,直到2019年,史密森國家自然歷史博物館的動物學家David de Santana的團隊在亞馬孫河流域收集到了107個樣本,通過DNA分析,證明這些外觀幾乎毫無差異的樣本屬於三種不同的電鰻。除了之前被認為是單種的Electrophorus electricus,另外兩種被命名為E. voltai和E. varii。

電鰻的科學插圖。圖片:Wikimedia Commons其中,分佈於圭亞那南部高原水域的E. voltai能夠產生高達860伏的電壓,遠超過之前650伏的記錄。研究團隊認為,這可能是由於其生活的水體電導率較低,這種電鰻進化出了更強力的電壓。這也從另一個側面說明亞馬孫雨林擁有非常豐富的生物多樣性,即使在過去的一個世紀中,人類活動對雨林造成了嚴重影響,但仍然可以不時發現令人激動的新物種。

有生命的電池發電魚類的“電池”來自體內由電細胞(electrocytes)構成的發電器官,大部分種類的電細胞來自特化的肌肉細胞,但比肌肉細胞體積更大。電細胞一側的膜上分佈有高密度的乙酰(xiān)膽堿受體,當電鰻想要放電,大腦通過神經發送信號,釋放乙酰膽堿,與受體結合,膜上的“電壓門控鈉離子通道”被打開,細胞外大量帶正電荷的鈉離子在濃度差的作用下流入細胞膜,這種電荷的流動就會產生電壓和電流。

電鰻放電肌肉的細胞示意圖。圖片:Hao Sun et al. / Advanced Materials (2016)

其實這種放電活動毫不稀奇,只要是活著的生物,都會源源不斷地產生這種生物電,如人類的思考、肌肉活動等,但我們也不能靠愛發電,因為普通的細胞膜上的鈉離子通道門分佈比較均勻,當鈉離子流入時,相當於一個游泳池四面八方的水管一起放水,無法形成方向一致的電流(水流),其電勢差被互相抵消。而電鰻的電細胞兩側功能不對稱,一側有鈉離子通道門,另一側沒有,相當於一節正常的電池,只能從一頭進電,可以形成穩定的電流和電勢差。

每個電細胞可以發出約0.15伏的電壓,電鰻體內有多達5000~6000個電細胞,它們層層緊密排列在一起,形成了類似電池串聯結構的發電器官。這種結構常使人們想到最早的電池組——伏打電堆,而它的放電方式類似馬克思發生器,先給每個細胞並聯充電,然後再突然串聯放電,產生高壓脈衝。

發電器官佔據了電鰻修長身體的大部分。圖片:Lindsay L Traeger et al. / BMC Genomics (2015)電鰻的所有臟器都集中在身體前部五分之一,剩下的五分之四由三種發電器官組成。囊狀器官(Sach's organ)以25赫茲的頻率發射約10伏的低壓脈衝,用來探測環境;一旦感覺到周圍有獵物或捕食者,主要器官(Main organ)和捕獵器官(Hunter's organ)就會以400赫茲的頻率發射高壓脈衝,將獵物擊昏或驅走。它們還會彎曲身體,讓身體上的兩點同時接觸獵物,造成一種近似“短路”的效果,釋放更大傷害。

攻擊是最好的防禦

幾個世紀以來,關於電鰻的各種傳說經久不衰,它是各種傳記、小說、漫畫和電影里的常客。有傳言說它可以輕易擊死人和大型動物,其電擊可以治療風濕頭疼,甚至可以讓人有超能力,其中最著名的傳說,來自德國博物學家亞曆山大·洪堡(Alexander von Humboldt)於1807年出版的著作。

1800年3月,洪堡在南美洲考察,聘請當地漁民捕捉電鰻以供研究,漁民們把大約30匹騾、馬趕入一個電鰻出沒的池塘,池塘里的電鰻紛紛躍出水面,將身體壓在牲畜身上放電,整個池塘亂成了一鍋粥,而漁民們則守在池塘周圍,防止牲畜逃跑。最後,電鰻的電力全都耗盡了,洪堡以兩匹馬的代價收穫了五條電鰻。

洪堡的朋友Robert H. Schomburgk繪製的想像圖,電鰻向水池里的馬發起攻擊。圖片:Kenneth C. Catania / PNAS (2016)洪堡記載的這個傳奇故事曾被多次出版轉載,還配有插圖,但後世的科學家對此持懷疑態度,兩百多年來沒有人再做過這個實驗,也沒有人記載過電鰻的這種攻擊方式。不過美國Vanderbilt大學的肯尼斯·卡塔尼亞(Kenneth Catania)在實驗室里還原了洪堡的觀測記錄,他把鱷魚模型和人手臂模型伸進養電鰻的水槽,吸引電鰻主動攻擊。結果證明,面對體型較大而部分浸入水中的目標,電鰻以主動攻擊的方式來防禦,緊貼目標躍出水面,使目標受到更猛烈的電擊。

卡塔尼亞的實驗,電鰻主動貼上敵人發起攻擊,卡塔尼亞很有犧牲精神地自己扮演“敵人”。圖片:Vanderbilt University / youtube

卡塔尼亞還觀測到電鰻的另一捕食絕招,當水體較為複雜時,電鰻可能很難探測到那些隱藏的獵物,但它會對附近可能有獵物的地方發出試探性的電脈衝,這幾股脈衝會迫使周圍隱藏的獵物肌肉痙攣,不受控制,更容易現身,此時電鰻再發出高壓脈衝將其徹底擊昏。

電鰻雖然沒有科幻超能力,也沒有殺人無數的賣點,但它仍然擁有許多令人驚歎的特性,數百年來一直是科學家們最感興趣的研究物種之一。早期的研究方向讓人們瞭解了其發電器官的解剖構造、電輸出的基本原理與特性,近期的研究多集中在離子學說、膜蛋白學、仿生學等更微觀的領域。比如通過仿造電鰻細胞結構與發電原理,可製造出電壓超過100伏的水凝膠電池,可為未來的醫療植入物與顯微器械提供電力,很有賽博朋克的感覺,這也算是電鰻的超能力吧。

閃電俠

有電感應的鴨嘴獸

各種魚的超能力

毛茸茸的比卡超

原標題:《如何隨時充電?把自己變成電池!》

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