2018年11月1日 星期四

能產生電流的魚! 11-02-2018



能產生電流的魚!

一、發電的魚

1.  全世界約26,000種的魚類中,只有300500種的魚會產生電流。

2.  又可依照這些魚發電量的多寡區分為:

a.  弱電魚(Weakly electric fish)—尾部的發電器官,大約只能產生1伏特(Volt)的電壓,也就是AA電池2/3的電壓,能產生及感覺電場的存在,也可偵測到地球的磁場,司導航溝通功能。可是電壓太低無法電昏獵物。


01. 象鼻魚(elephant nose fish)為弱電魚的代表例。

藍色部份表示電接受器(electroreceptors)的位置;

淺綠色部分為中樞神經系統的位置;

尾部紅色部分為發電器官的位置。

產生的弱電流靈敏到能分辨,埋在河床淤泥下的昆蟲是死是活!



02. 主要生活於非洲的象鼻魚(elephant nose fish)其中的一種—小口彎象鼻魚。

圖片來源:https://slideplayer.com/slide/6230865/20/images/89/小口彎頜+象鼻魚%28Campylomormyrus+phantasticus%29.jpg

b.  強電魚(Strongly electric fish)— 發電器官產生數百伏特的電壓,用來溝通、導航,還可以擊昏獵物

註:海水中生活的電鰻產生數十伏特的電力,即可擊昏獵物。因為海水中約有3.5%的電解質(主要是氯化鈉=食鹽),導電性很強。需產生數百伏特電力,以擊昏獵物的是淡水電鰻。


03. 電鰻(electric eel,左下圖)、電鰩(electric ray,右圖)及電鯰(electric catfish,左上圖)為強電魚的代表例。

圖中黑色部分是發電器官(electric organ)之位置


3.  直到1970年代,科學家才開始懷疑鯊魚、電鰩可以偵測到微弱電流。如今海洋生物學家已經了解,這種鯊魚、電鰩少數種魚類具有第六覺—電覺(electroreception,可以在視覺、嗅覺、味覺、觸覺與聽覺,都偵測不到獵物的環境,例如污濁的水域、黑暗的海域,甚至藏身沙底,電覺都可以幫助鯊魚、電鰩測得獵物!


04. 鯊魚、電鰩以頭部之羅倫茲壺腹(Ampullae of Lorenzini),偵測獵物肌肉收縮產生的微弱電流,甚至有專家認為能偵測海水溫度變化。



05. 鯊魚羅倫茲壺腹(Ampullae of Lorenzini)的開口—淺藍色小圈圈

以及側線(lateral line)—鮮黃色圈圈,在頭部的分布。




How Do Sharks and Rays Use Electricity to Find Hidden Prey? | Deep Look
(鯊魚和電鰩如何利用電力發現隱藏的獵物?|深入觀察)
350秒的短片,介紹電鰩的羅倫茲壺腹的位置與結構。




4.  能形成電流的魚,肌肉細胞特化成可產生電流的電細胞(Electrocytes),許多電細胞串聯起來,產生一個隨著魚體移動的電場,從電場被外界物體干擾的位置和強度,來判別前進的方向(orientation)和獵物之所在。

5.  電鰻(electric knife fish=electric eel)用產生的電場彼此溝通(communication)

6.  弱電魚(Weakly electric fish) 尾部具有一個電器官(electric organs),產生短暫電波建立電場,魚的頭部是電場的正極(positive pole),尾部是電場的負極(negative pole),外界物體如果干擾了電場,干擾的訊號會被魚的側線(lateral line)之電接受器(electroreceptor)所接收。 


06. 象鼻魚對外界干擾電場的訊號,由位於頭部的兩個開孔(fovea)接收。

上圖植物是良好的導體(Conductor),會影響到象鼻魚形成的電場。

下圖的石頭非導電體(Non-conductor),不會影響到象鼻魚形成的電場。




二、電細胞(Electrocytes)

1.  弱電魚大約只能產生AA電池三分之二的電壓;強電魚大約能產生300800伏特的電壓。雖然產生的電壓相差懸殊,但是產生電的原理相同,都是透過電細胞(Electrocytes)

2.  電細胞用細胞膜上的Na+K+ 幫浦(Sodium-Potassium pump),將3Na+打至細胞外,2K+打入細胞內,建立靜止膜電位(Resting Membrane Potential, RMP)


07. 動物細胞膜上的鈉-鉀幫浦,主動運輸(消耗ATP對抗濃度差的運輸),將3 Na+打到細胞外;兩個K+打入細胞內,建立靜止膜電位。類似形成一個生物電池。

Cytoplasm—細胞質;Extracellular fluid—細胞外液



08. 電細胞的細胞膜外鈉離子濃度高,細胞內鉀離子濃度高,建立靜止膜電位。好像建立了一個生物電池一般,需要的時候就可產生電流。



09. 電鰻具有大約6,000個電細胞(Electrocytes),一個電細胞約產生0.1Volts的電力,6,000個電細胞串聯瞬間同步放電,約可產生6百伏特電壓之電力!




10. 淡水電鰻可瞬間產生數百伏特電壓之電力,足以擊昏大型哺乳動物(人、馬等)




How do fish make electricity? - Eleanor Nelsen
(魚類是如何產生電力?—Eleanor Nelsen)

需要的網友,請直接上YOUTUBE網站點閱,因為有中文(台灣)的翻譯。





11. 海水電鰩(electric rays)的發電器官及排列成柱狀之電細胞。


三、強電魚發出的電流,為何不會電昏或電傷自己?

1. 電擊的強度取決於電流通過生物體任何特定區域的流量和時

   間。要使電鰻的肌肉產生痙攣,以200毫安培的電流來說,必

   須持續50毫秒。但電鰻發出的電流只會持續2毫秒。

2.              電鰻所產生的電流,在自己身上,大部份會經過表皮消失到水中;而進入小型獵物體內的電流在比例上則強得多。例如,長度是電鰻1/10的獵物,體積將只有電鰻的1/1000,因此遭到電擊的是電鰻身旁的小動物,而不是電鰻自己。

3.              基因表現特殊的蛋白質保護魚體避免被電傷。



但是以上所陳述的理由要嘛是推測(3.),要嘛有點與事實不符(2.)
電鰻成體長可達2.4公尺,重23公斤,但牠不是正方形而是長條形。體積不能用正方形的算法來計算?
結論:為何電鰻不會電傷自己?目前仍是自然界的一個謎!


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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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