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300～500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，司導航及溝通功能。可是電壓太低無法電昏獵物。

圖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！

圖片來源：https://asknature.org/strategy/receptor-organs-filter-background-noise/#.W9pPfPZuI2w

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

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。

圖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

圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/Electric-organs-of-strongly-electric-fish-occupy-a-large-part-of-the-body_fig1_226213661

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！

圖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。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/4316078/

圖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。

圖片來源：https://images.slideplayer.com/25/7658769/slides/slide_106.jpg

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) 3分50秒的短片，介紹電鰩的羅倫茲壺腹的位置與結構。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=JDPFR6n8tAQ

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。 

圖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。

圖片來源：http://www.wikiwand.com/en/Electroreception

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300～800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N_a⁺—K⁺ 幫浦(Sodium-Potassium pump)，將3個N_a⁺打至細胞外，2個K⁺打入細胞內，建立靜止膜電位(Resting Membrane Potential, RMP)。

圖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 N_a⁺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

圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/Sodium-Potassium-pump-which-uses-ATP-to-pump-sodium-ions-out-of-the-cell-The-hydrolysis_fig2_273751706

圖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。

圖片來源：http://pages.vassar.edu/magnes/advanced-electromagnetism-phys-341/daniel-pearlman/

圖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！

圖片來源：https://www.eeweb.com/quizzes/energy-storing-fiber

圖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)。

圖片來源：https://kknews.cc/science/4vqqj32.html

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。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=z0M7_HPSi14

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

圖片來源：https://www.nature.com/articles/srep25899

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！