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电鳗怎么会自己发电呢?

2015-12-11 浏览次数:17015 来源:网络综合

生物电为人们所熟知,而其中电鱼更为突出!现在已知电鱼有500种,人们研究了仅20种,如分布在非洲尼罗河、刚果河、尼日尔河的电鲶,南美洲淡水中的电鳗,太平洋的电鳐等。电鱼放电的作用,是用以自卫可猎取鱼类等动物食物。

其中的电鳗,是一种著名的南美鱼类,体型粗圆而长,最大可长达250厘米左右,主要栖息在南美洲的亚马逊河及奥里诺科河流域,生性昼伏夜出,以捕食小鱼为主。它能产生足以将人击昏的电流,是鱼类中放电能力最强的淡水鱼类,输出的电压300~800伏,因此,电鳗有水中的“高压线”之称。

电鳗怎么产生电?

电鳗是靠高度特化的神经系统放电的。简单地说,电鳗有个很聪明的神经系统,它会利用一个指令来命令电力器官开火,当命令信号到达时,神经末梢会放出一种物质,它会在发电细胞的细胞膜上,开启一个电阻比较低的临时途径,连接了细胞内和细胞外(每一个发电细胞外所携带的负电荷,和细胞內相差了将近100微伏特)。这样一来,每个细胞就像电池一样,被神经序列活化的一边带着负电荷,而另一边则带着正电荷。

电鳗的电器官是由许多电板的盘形细胞组成,这些细胞以柱状排列。每一个电板都浸在细胞外胶质中,被结缔组织包围。电板的一面上有神经,胶质有毛细血管网。各种电鱼电器官的位置、形状、电板数都不同,如电鳐电板有200万块,电鲶有500万块。电鱼的电器官一般起源于尾肌或鳃肌,也有起源于眼肌或腺体的。所以电板膜也像神经元的肌纤维膜一样对各种离子有不同的通透性,因而造成电板膜电位。在神经脉冲的作用下,膜的通透性发生变化,即产生离子流或电流。单个电板产生电流电压不大,而电鱼体内几百个电板产生的电压就相当大了,如电鳗每块电板的电压只有150毫伏,200万块电板电压就有3亿毫伏,据测算电鳗每克体重平均输出功率为1瓦,而轻便的汞电池仅有0.003瓦,汽车轮胎电池更小仅0.001瓦。

为什么电鳗不会电到自己?

电鳗内部有许多的生物电池(electroplaques)串联及并联在一起,所以虽然电鳗的头尾电位差可以高达750V。但是,电流的强度取决于电流通过生物体任何区域的流量和时间。打个比方,我们把电鳗的身体比作人的手臂(粗细差不多),要使手臂产生痉挛,需要用200毫安培的电流来电,而且必须持续50毫秒。但电鳗发出的电流没有这么多,而且只会持续两毫秒。另外,电鳗产生的电流,有很大一部分会透过表皮消失在水里。但如果电鳗电击小型猎物,小型猎物体内的电流在比例上要强得多了,它们当然会被电到啦。

此外,电鳗电鳗的放电器官在身体的两侧,而且它大部分的身体或重要的器官都由绝缘性很高的构造包住,在水中就像是一个大电池。电流由电阻最小的通路经过,所以在水中放电时,电流会经由水(电阻比电鳗身体小)传递,电鳗并不会电到自已。但如果电鳗被抓到空气中,因空气的电阻比它身体的电阻更大,放电的话就会电到自已了。另外,如果电鳗受伤使两侧的绝缘体同时破损的话,放电时就会像两条裸露的电线一样发生短路的现象。

电鳗给人的启示

电鳗肉味鲜美,富有营养。南美洲土著居民利用电鳗连续不断地放电后,需要经过一段时间休息和补充丰富的食物后,才能恢复原有的放电强度的特点,先将一群牛马赶下河去,使电鳗被激怒而不断放电,待电鳗放完电精疲力尽时,直接捕捉。

早在古希腊和罗马时代,医生们常常把病人放到电鳗身上,或者让病人去碰一下正在池中放电的电鳗,利用电鳗放电来治疗风湿症和癫狂症等病。现代的法国和意大利沿海,还可能看到一些患有风湿病的老年人在退潮后的海滩上寻找电鳗。

电鳗的放电特性启发人们发明和创造了能贮存电的电池。人们日常生活中所用的干电池,在正负极间的糊状填充物,就是受电鳗发电器里的胶状物启发而改进的。伏特电池单个电板产生的电压很低,但它一连串的电板就能发出高电压。它用纸板把锌板和铜板隔开,浸泡在溶液中的“电板”也能产生较高电压。

电鱼还是开发新能源的一种途径,科学家们一直在研究电鱼,希望从研究电鱼的身体构造入手,来改进许多交通工具的用电设备。

2亿年前电鳗首次进化形成带电能力

据英国每日邮报报道,目前,科学家最新研究揭晓电鳗首次进化形成带电能力源自2亿年前,并首次解码电鳗的基因之谜。

这项最新研究发现带有发电器官的电鳗共经历了6次进化,逐渐完善其放电能力,身体释放的强电流足以击晕猎物。同时,科学家揭晓了进化这些复杂奇特发电器官的基因蓝图,研究报告合著作者、美国密歇根州大学动物学家詹森-加伦特(Jason Gallant)说:“发现类似发电器官的复杂结构是非常令人兴奋的,电鳗6支种属分别独立完成进化,它们可能共享相同的基因组。”

生物学家开始使用基因学研究电鳗的进化,它们从相同基因物质形成类似结构,即使这些器官并不是非常接近。在全球范围内共生活着数百种电鳗,它们分别属于6支种属。

达尔文对电鳗的物种多样性颇感兴趣,指出电鳗是趋同进化的关键性实例,独立进化形成类似习性适应特殊的环境或者生态龛位。所有的肌肉和神经细胞都具有电能,肌肉简单的收缩运动将释放少量电压。

1-2亿年前,一些鳗鱼物种通过进化肌肉细胞的发电细胞,开始增强电能,逐次组织细胞并制造更多的电能。研究报告合著作者、美国威斯康星大学麦迪逊分校研究生琳赛-特雷格(Lindsay Traeger)说:“进化改变了肌肉细胞的收缩能力,使其在细胞膜的蛋白质分布规律发生变化,目前所有发电细胞推动离子穿过细胞膜,形成大量的正电荷电流。”

事实上,电鳗身体包含着数百万计的“细胞电池”,它们串联在一起同时放电。这项研究提供了世界上首个电鳗基因组序列,同时,它还识别出电鳗进化形成发电器官的遗传因子和发育途径,有时电鳗释放的电流是家用电器插座的数倍。

其它会发电的鱼类使用电流进行防御、掠食、导航和通信。下一步密歇根州大学研究人员将使用先进转基因技术测试这些基因在发电器官发育的重要作用。目前,这项最新研究报告发表在《科学》杂志上。

(责编/小强)

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