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电鳗如何杀死一匹马?

发布时间: 2019/5/5 0:17:32    被阅览数:

几百年前就有记录表明电鳗能电晕猎物。不过,除非你在《星际迷航》中的太空战舰上负责安保工作,否则你可能并不了解“电晕”这个词的准确含义。电鳗发动攻击时到底发生了什么?令人惊讶的是,直到最近,生物学家对电鳗仍知之甚少。
  在这篇节选自《环球科学》5月新刊的文章中,来自美国范德堡大学的生物学教授,为我们介绍了其在研究电鳗时的奇特现象。
  电鳗用高压电攻击一条鱼时,电鳗附近的鱼在3毫秒内全都“石化”了,就好像是它们变成了一个个小雕塑,静止不动地漂在水中。一开始,我以为它们都被电死了。但是,当电鳗没能抓住猎物并停止释放高压电后,这些鱼就立马“解冻”,然后全速游开了。也就是说,电鳗的影响是暂时的。我被这一现象吸引了,特别想弄明白这到底是怎么回事儿。
  我想到和电鳗最像的,就是美国警察执法时使用的泰瑟枪(Taser,又称“电休克枪”)。泰瑟枪会干扰人体神经系统控制肌肉的能力,进而导致神经肌肉丧失功能。泰瑟枪通过电线传输短暂的高压电流脉冲,每秒达19次。不同的是,电鳗能发出只持续约2毫秒的脉冲,并且可以每秒连续放电400多次——这可比泰瑟枪快多了。那么是否可以说,电鳗只是会游泳的增强版泰瑟枪?为了回答这个问题,我开始了一项为期3年的研究,
  用电的猎手
  你或许没想到,电鳗并不是一种鳗鱼,而是属于电鳗科(Gymnotidae)。电鳗科的其他鱼类只能放出很微弱的电流,用来感知周围环境以及彼此交流。在演化过程中,电鳗的放电能力不断增强。电鳗的发电器官遍布全身(电鳗体长可达1.8米,体重超过18千克),正因为如此,它们能产生最高可达600伏特的电压。电鳗的发电器官由数千个特殊的圆盘形细胞组成,也就是发电细胞(electrocyte),它们像电池一样可以存储和释放电能。
  为了研究电鳗的攻击原理与泰瑟枪是否一致,我需要观察电鳗是如何捕猎的。首先,我把电鳗和一条死鱼(它的神经和肌肉仍可正常工作)放在水缸中,二者被一块挡板隔开,但电流可以通过挡板。同时,水缸旁边还有一台设备能够检测死鱼的肌肉收缩。接下来,我用蚯蚓喂食电鳗,电鳗很开心地先电晕它们再吃掉。这样一来,我就可以测量鱼的肌肉对电鳗捕猎时释放的高压电流脉冲的反应了。
  我发现,在电鳗释放连续的高压电流脉冲3毫秒后,死鱼的肌肉会大幅收缩。在之前的慢动作录像中,电鳗周围的鱼也恰好是在电鳗放电3毫秒后停止移动。很显然,电鳗比人类更早发明了泰瑟枪。不过,我发现的可不只有这些。我还发现,电鳗并不是直接刺激鱼的肌肉,而是激活控制肌肉的神经,让猎物动弹不得。每次高压电流脉冲都会在鱼的运动神经上产生动作电位(即神经冲动)。电鳗使用了一种高保真的远程控制方式,“定”住了猎物。
电鳗的攻击模式  有趣的是,这意味着猎物的肌肉反应或许对电鳗的电流攻击也有一定的影响。有了这一发现,我开始重新思考电鳗的连续高压攻击。理查德·鲍尔(Richard Bauer)在1977年发表的一项研究格外引人注目。鲍尔的研究称,电鳗捕猎时通常会在释放两次高压电流脉冲后停顿一下,每次停顿时间约为2毫秒。这两次高压电流脉冲也因此被称作双脉冲(doublet)。我自己做实验时,电鳗也都出现了这种行为。这是为什么呢?
  我稍微研究一点肌肉生理学就发现,运动神经元向肌肉发出双脉冲(也就是运动电势)是产生最大肌肉张力的最好方法。这也就是为什么我的实验表明,电鳗的双脉冲会导致附近猎物出现短暂而严重的全身痉挛,而连续电击会使猎物持续麻痹。全身痉挛会使得猎物周边的水发生运动——即产生水下声波。由于电鳗能感受到极微弱的水流,因此我想到了一个有趣的可能性:电鳗释放双脉冲是为了探测周围是否存在生命体。毕竟,野生电鳗生活在亚马孙雨林中,它的周围有各种各样隐藏起来的猎物——这些猎物可比丢进水缸里的虫子或金鱼更难发现。
  用电流搜寻猎物
  当我研究电鳗的捕猎行为时,我还注意到其他一些事情。我曾经认为,电鳗的进攻就像发射子弹——都是事先规划,一旦行动之后便不需要再根据感觉器官接收到的反馈信息进行调整。不过我现在认识到,电鳗还能将高压电流脉冲用于追踪。那么,高压电流能不能当作电鳗的感知工具呢?我决定通过实验来验证这种可能性。
  在设计实验时,我利用了猎物的导电性以及电鳗的攻击性。在水中生活的动物的导电性往往比水更好,因此电鳗对导体格外敏感,因为能导电是生命体的特征。不过需要记住的是,电鳗会使用低压电流来探测水中的导体,直到发起进攻时才会切换到高压电流。为了测试电鳗用高压电流感知周围环境的能力,我拍摄了电鳗发动攻击时的慢动作视频,因为电鳗在攻击时会关闭低压电流,切换到高压电流。
  第一个简单的实验是在水缸里增加一根由碳制成的导体棒,就放在那条装在密封袋里的死鱼旁边。当电鳗察觉到死鱼痉挛产生的水流后,它便发动攻击,冲向那条在绝缘袋里的鱼。不过这次,电鳗在半路上改变了目标,转而冲向了碳棒,并且试图把碳棒吸入嘴中。看起来,电鳗好像把碳棒当成了鱼。如果电鳗真的能利用高压电流脉冲追踪猎物,这种现象就确实会发生。
  在后续实验中,我加入多根塑料棒作为对照组,来排除电鳗用视觉选择猎物的可能性。在每次实验中,电鳗都会攻击碳棒,连续释放高压电流。在终极测试中,我设计了一个快速旋转的圆盘,将一根很小的导体嵌在圆盘表面,其他部分都是绝缘材料,跟对照组一模一样。电鳗的表现堪称完美:它们在释放高压电流期间,成功追踪并攻击了导体,速度之快、精度之高,跟使用电来感知周围的动物相比是有过之而无不及。我们相信,电鳗发出的高压电流不仅是制服猎物的武器,同时也可以用来追踪猎物,属于感官系统的一部分。随着研究的深入,我对电鳗的本事也是愈加赞叹。接下来,我也将成为实验的一部分。
  主动防御
  1800年3月,德国自然学家亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)雇了几个亚马孙地区的渔民,打算抓一些电鳗来做实验。后来,这件事变成了一个传奇故事。这些渔民决定用马来抓电鳗,他们找来30匹野马和骡子,驱赶它们进入一片满是电鳗的浅水塘。结果,电鳗从水塘中跃起发动攻击,不停地电击这些马和骡子。渔民们大声呵斥并挥动着树杈,把这些受到惊吓的马困在池塘里,直到电鳗耗尽能量。随后,渔民很安全地就抓到了这些电鳗。最终有两匹马死于这次行动,其他的则踉踉跄跄地走出池塘,瘫倒在水塘边上。洪堡在1807年报道了这次经历,并赢得了声望。不过,后来有些学者开始质疑洪堡的这一描述。电鳗为什么要冒着受伤的风险,来攻击自己不能吃的大型动物?在之后的200多年里,再没出现过对电鳗这种行为的报道,直到我在实验室用错误的渔网去捕捉一条很大的电鳗。
  通常,电鳗并不会跃出水缸。不过也有例外,当你在水面上用一个大导体靠近一只无处可逃的电鳗时,它往往会疯狂地发动进攻。我之所以能发现电鳗的这种行为,是因为我当时试图用一个带金属圈和金属把手的渔网,把一只大电鳗换到一个新水缸里。一瞬间,电鳗调转方向,从水中跃出,用下颌抵住了金属把手,释放出长时间的连续高压电流脉冲(幸好我当时戴了绝缘橡胶手套)。实验室里所有的受试电鳗都出现了这一令人震惊的防御性行为。
  随着对电鳗行为的进一步研究,结合洪堡的叙述,很多问题就有了答案。如果电鳗把较小的导体当作是可以食用的猎物,那么它就会游向猎物。半没在水中的大型导体很可能会被当成大型危险动物,比如一只猫或一条鳄鱼。电鳗为什么不游走呢?那是因为在干旱季节,亚马孙地区的电鳗往往会被困在小池塘里,此时它们就有被吃掉的风险,洪堡的故事描述的就是这种情形。
  用胳膊做实验
  对于有些东西,学校的财务部门是肯定不会给你买的,而尸体的手臂恰好就属于这类。所以,当我需要一些假胳膊来做实验时,我想了想还是自己掏腰包算了。这些实验是为了进一步研究电鳗的跳跃行为,在去掉这些假胳膊上的假血管后,我在胳膊里面放了一些会发光的二极管,来模拟神经通路。随后,我拿改造后的胳膊靠近电鳗。作为回应,电鳗开始疯狂跳跃来进行防御。电鳗放电时跳得越高,假胳膊里的二极管也就越亮。
  实验室中最大的电鳗体长超过90厘米,它的发电器官可产生382伏特的电压。由于它自身的电阻只有450欧姆,因此如果没有其他阻力,这条电鳗可产生将近1安培的电流,这可比泰瑟枪厉害多了!所以说,被这家伙电一下可不是闹着玩的。
  当电鳗跃出水面,用下颌抵住猎物时,从电鳗头部到尾部的那条电路就被关闭了——因为空气不是良导体。这时,一条通过猎物的新电路将取而代之。不同寻常的是,电鳗跃出水面越高,施加在猎物身上的电压也越高——这跟调节音量很像。这种现象解释了电鳗跃出水面这种行为是如何演化来的,因为跳的高度越高越有优势。现在,我可以很自信地宣布,电鳗在攻击时跳出水面能高效地提高电压。
  在一开始,我进行这个研究项目可能是为了在将来能讲授更多关于电鳗的知识,但最后反而是电鳗给我上了一课。每次研究一个新物种,我都发现,动物总是比人们想象的更厉害、更有趣。
  撰文 肯尼斯·C·卡坦尼亚(Kenneth C。 Catania)  
  翻译 张哲


来源:环球科学      编辑:秋痕

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