如何随时充电?把自己变成电池!
上世纪90年代末在中国出版的科普探险小说《哈尔罗杰历险记》是许多动物爱好者的童年启蒙,这套小说情节引人入胜,涉及动物的知识也大部分准确可靠,但有些情节,尤其涉及到人与动物的互动,又极尽夸张离奇,充满人类主观视角的不切实际与一厢情愿。总的来说,瑕不掩瑜。
其中有一段情节,是主角兄弟俩在亚马孙河上遇到土匪,哥哥被打倒在地,下一秒就要被一枪崩了。正好兄弟俩之前抓了一条电鳗,眼看哥哥头上写了个大大的危字,弟弟急中生智,抓起电鳗就劈头盖脸抽过去,就好像手持一条活的闪电鞭,都用不着五鞭,啪的一鞭就缠住了土匪的脖子,把土匪打得不省人事。
电鳗向着装了led灯的玩具鳄鱼发起攻击。图片:Kenneth C. Catania / PNAS (2016)
带电“飞刀”
世界上约有10科350种鱼类能够发电,绝大部分是弱电鱼,所发出的电压通常小于1伏,主要用于导航、目标探测、通讯交流和求偶等。这一类鱼中有不少用于水族馆和家庭观赏,如裸背鱼目的圭亚那裸背鳗(虎纹飞刀)Gymnotus carapo、线翎电鳗(魔鬼刀)Apteronotus albifrons、青色埃氏电鳗(玻璃飞刀)Eigenmannia virescens,以及骨舌鱼目的彼氏锥颌象鼻鱼Gnathonemus petersii等。
左上角浅色小鱼,一种裸背鱼目的弱电鱼Eigenmannia virescens;中间黑白图片,骨舌鱼目的弱电鱼Chitala chitala;中文名铠弓鱼;右侧黑色鱼,线翎电鳗;左下角细长鱼,一种骨舌鱼目的弱电鱼Gymnarchus niloticus。图片:Wikimedia Commons
知名度更高的电鱼三巨头——电鳗、电鳐和电鲶属于强电鱼类,能够发出数百伏的高压电,用于捕食和御敌。在《哈尔罗杰历险记》中也有关于电鳐的情节,同样奇幻,在一次海洋潜水中,主角拿着一条电鳐,抽别人的屁股;另一次新几内亚之旅中,他们用电鳐投喂大湾鳄,将其麻翻后捕获。此外,还有一类貌不惊人的瞻星鱼Uranoscopus spp.能够发出50伏的电压,算是“中电鱼”。
长相怪异的瞻星鱼。图片:Rickard Zerpe / Wikimedia Commons
电鳗虽然带个鳗字,但跟那些常被端上餐桌的鳗鲡目种类没有亲缘关系,它跟那些用于观赏的“飞刀”一样,都属于裸背鱼目。所谓裸背,是指这类鱼身体细长,没有背鳍和腹鳍,好似一把刀。它们臀鳍延长,与尾鳍融合在一起,形成一条长长的“裙边”,在水中如波浪一般起伏推动身体前进或倒退,姿势很是优雅。
不是一种,是三种
电鳗可以长到2~2.5米,体重20公斤,是裸背鳗目里体型最大的一类。就算是在亚马孙河这种地狱难度的生存环境中,如此体型也是相当骇人的。它的长相更是让人印象深刻,脸扁口阔,好像鲶鱼和黄鳝的混合体。眼睛近似退化,小如绿豆,几乎全是浅色的,颇有邪恶之感。头部布满凹坑麻点,更是让人分不清哪是鼻子哪是眼。
电鳗栖息在亚马孙河和奥里诺科河流域的沼泽、浅滩和小河中,以泥泞水底的无脊椎动物和小鱼为食。这类水域环境能见度很差,但电鳗依靠自身发出电脉冲探测周围环境,可以在浑浊的水中游刃有余地活动与捕食。它头部的那些凹点也具有机械传感器的作用,可以感受微弱水流变化。
电鳗长着一张怪异的脸。图片:opencage / Wikimedia Commons
电鳗的呼吸系统也高度适应这种含氧量低的水域,它所需的80%氧气来自口腔呼吸,其口腔上皮组织形成密集的褶皱突起,富含血管,用来直接呼吸空气。由于呼吸系统的特化,电鳗必须频繁浮上水面呼吸,但也可以在干旱季节的枯竭水域中存活很久。
数百年来,人们一直认为电鳗属只有一个广泛分布于亚马孙河流域的物种,直到2019年,史密森国家自然历史博物馆的动物学家David de Santana的团队在亚马孙河流域收集到了107个样本,通过DNA分析,证明这些外观几乎毫无差异的样本属于三种不同的电鳗。除了之前被认为是单种的Electrophorus electricus,另外两种被命名为E. voltai和E. varii。
电鳗的科学插图。图片:Wikimedia Commons
其中,分布于圭亚那南部高原水域的E. voltai能够产生高达860伏的电压,远超过之前650伏的记录。研究团队认为,这可能是由于其生活的水体电导率较低,这种电鳗进化出了更强力的电压。这也从另一个侧面说明亚马孙雨林拥有非常丰富的生物多样性,即使在过去的一个世纪中,人类活动对雨林造成了严重影响,但仍然可以不时发现令人激动的新物种。
有生命的电池
发电鱼类的“电池”来自体内由电细胞(electrocytes)构成的发电器官,大部分种类的电细胞来自特化的肌肉细胞,但比肌肉细胞体积更大。电细胞一侧的膜上分布有高密度的乙酰(xiān)胆碱受体,当电鳗想要放电,大脑通过神经发送信号,释放乙酰胆碱,与受体结合,膜上的“电压门控钠离子通道”被打开,细胞外大量带正电荷的钠离子在浓度差的作用下流入细胞膜,这种电荷的流动就会产生电压和电流。
电鳗放电肌肉的细胞示意图。图片:Hao Sun et al. / Advanced Materials (2016)
其实这种放电活动毫不稀奇,只要是活着的生物,都会源源不断地产生这种生物电,如人类的思考、肌肉活动等,但我们也不能靠爱发电,因为普通的细胞膜上的钠离子通道门分布比较均匀,当钠离子流入时,相当于一个游泳池四面八方的水管一起放水,无法形成方向一致的电流(水流),其电势差被互相抵消。而电鳗的电细胞两侧功能不对称,一侧有钠离子通道门,另一侧没有,相当于一节正常的电池,只能从一头进电,可以形成稳定的电流和电势差。
每个电细胞可以发出约0.15伏的电压,电鳗体内有多达5000~6000个电细胞,它们层层紧密排列在一起,形成了类似电池串联结构的发电器官。这种结构常使人们想到最早的电池组——伏打电堆,而它的放电方式类似马克思发生器,先给每个细胞并联充电,然后再突然串联放电,产生高压脉冲。
发电器官占据了电鳗修长身体的大部分。图片:Lindsay L Traeger et al. / BMC Genomics (2015)
电鳗的所有脏器都集中在身体前部五分之一,剩下的五分之四由三种发电器官组成。囊状器官(Sach's organ)以25赫兹的频率发射约10伏的低压脉冲,用来探测环境;一旦感觉到周围有猎物或捕食者,主要器官(Main organ)和捕猎器官(Hunter's organ)就会以400赫兹的频率发射高压脉冲,将猎物击昏或驱走。它们还会弯曲身体,让身体上的两点同时接触猎物,造成一种近似“短路”的效果,释放更大伤害。
攻击是最好的防御
几个世纪以来,关于电鳗的各种传说经久不衰,它是各种传记、小说、漫画和电影里的常客。有传言说它可以轻易击死人和大型动物,其电击可以治疗风湿头疼,甚至可以让人有超能力,其中最著名的传说,来自德国博物学家亚历山大·洪堡(Alexander von Humboldt)于1807年出版的著作。
1800年3月,洪堡在南美洲考察,聘请当地渔民捕捉电鳗以供研究,渔民们把大约30匹骡、马赶入一个电鳗出没的池塘,池塘里的电鳗纷纷跃出水面,将身体压在牲畜身上放电,整个池塘乱成了一锅粥,而渔民们则守在池塘周围,防止牲畜逃跑。最后,电鳗的电力全都耗尽了,洪堡以两匹马的代价收获了五条电鳗。
洪堡的朋友Robert H. Schomburgk绘制的想象图,电鳗向水池里的马发起攻击。图片:Kenneth C. Catania / PNAS (2016)
洪堡记载的这个传奇故事曾被多次出版转载,还配有插图,但后世的科学家对此持怀疑态度,两百多年来没有人再做过这个实验,也没有人记载过电鳗的这种攻击方式。不过美国Vanderbilt大学的肯尼斯·卡塔尼亚(Kenneth Catania)在实验室里还原了洪堡的观测记录,他把鳄鱼模型和人手臂模型伸进养电鳗的水槽,吸引电鳗主动攻击。结果证明,面对体型较大而部分浸入水中的目标,电鳗以主动攻击的方式来防御,紧贴目标跃出水面,使目标受到更猛烈的电击。
卡塔尼亚的实验,电鳗主动贴上敌人发起攻击,卡塔尼亚很有牺牲精神地自己扮演“敌人”。图片:Vanderbilt University / youtube
卡塔尼亚还观测到电鳗的另一捕食绝招,当水体较为复杂时,电鳗可能很难探测到那些隐藏的猎物,但它会对附近可能有猎物的地方发出试探性的电脉冲,这几股脉冲会迫使周围隐藏的猎物肌肉痉挛,不受控制,更容易现身,此时电鳗再发出高压脉冲将其彻底击昏。
电鳗虽然没有科幻超能力,也没有杀人无数的卖点,但它仍然拥有许多令人惊叹的特性,数百年来一直是科学家们最感兴趣的研究物种之一。早期的研究方向让人们了解了其发电器官的解剖构造、电输出的基本原理与特性,近期的研究多集中在离子学说、膜蛋白学、仿生学等更微观的领域。比如通过仿造电鳗细胞结构与发电原理,可制造出电压超过100伏的水凝胶电池,可为未来的医疗植入物与显微器械提供电力,很有赛博朋克的感觉,这也算是电鳗的超能力吧。
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