电鳗鱼发出点击工作原理终被揭晓-——类似泰瑟枪

2021-01-08 11:01:02|

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据科学日报报道，电鳗——一种能够发出足以击倒一匹成年马的强烈震颤电击的无鳞亚马逊鱼类——具有一种异常类似泰瑟枪（一种武器）的电击系统，这一发现是基于对电鳗使用高压电流定位和麻痹猎物的方式长达9个月的研究。这项研究是由美国史蒂文森范德堡大学生物科学教授肯尼思·卡塔尼亚（Kenneth Catania）带领进行的，它被发表在12月5日的期刊《科学》上。

人类对会放电的鱼并不陌生。古埃及人用电鳐治疗癫痫。英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）用鳗鱼调查电的本质，而鳗鱼的解剖学激发了Volta发明第一个电池。生物学家确定了六英尺长的电鳗能够产生600伏特的电压——这相当于一个美国插座电压的五倍。今年夏天威斯康辛大学麦迪逊分校的科学家们宣布他们完成了对电鳗基因组的完整测序。

然而，在此之前，没有人完全了解电鳗的电击系统的工作原理。为了解开这一谜团，卡塔尼亚为大型水族馆装配了一个可以检测电鳗电信号的系统，并获得了几条电鳗作为实验品，长度最长为4英尺。

随着卡塔尼亚开始观察电鳗的行为，生物学家发现他们的行动异常迅速。它们能够在1/10秒的时间内电击并吞下一条蠕虫或者小鱼。因此卡塔尼亚装配了一个每秒运行几千帧的高速视频系统，从而慢镜头的研究电鳗的行为。

卡塔尼亚记录了电鳗三种不同类型的放电：用于感知环境的低压脉冲；在猎捕过程中释放的二至三次高压毫秒脉冲组成的短序列（被称为二连脉冲或者三连脉冲）；以及捕食或者自我防御时释放的高压高频率脉冲。卡塔尼亚发现电鳗会在攻击前10至15毫秒，对自由游动的猎物释放高频率高压脉冲展开攻击。在高速视频里，很明显在电击击中鱼类后三至四毫秒，鱼被完全麻痹。这种麻痹只是暂时的：如果电鳗没有立即捕获鱼类，后者会迅速恢复移动性并迅速游走。

“这真是太不可思议了。电鳗可以在三毫秒的时间内麻痹猎物，鱼完全处于瘫痪状态。” 卡塔尼亚说道。这些观察结果产生了一个很明显的问题：电鳗是如何做到这一点的？科学文献里尚未有这一问题的明确答案。

“我有一些执法机关的朋友，因此我很熟悉泰瑟枪的工作原理，” 卡塔尼亚解释道。“当我发现电鳗的放电与泰瑟枪的放电如此相似，我感到非常震惊。泰瑟枪每秒发出19次高压脉冲，而电鳗每秒能够产生400次脉冲。”

泰瑟枪的工作原理是麻痹控制人体肌肉的神经，从而导致肌肉处于不由自主的收缩状态。为了确定电鳗的放电是否有相似的作用，卡塔尼亚用电可以穿透的障碍物将水族馆的部分隔开。它将一个刺毁脑脊髓的鱼放在障碍物的一边，而电鳗处于另一边，工作人员为电鳗喂食蚯蚓，这将引发它发出电脉冲。电脉冲将穿过障碍物并击中鱼类，从而导致后者产生强烈的肌肉收缩。

为了确定放电究竟是作用在猎物的运动神经元上——也就是控制肌肉的神经——还是作用在肌肉本身，卡塔尼亚将两个刺毁脑脊髓的鱼放在障碍物一边：其中一条鱼被注射了生理盐水，而另一条被注射了箭毒（箭毒马鞍子的毒素），一种攻击神经系统的麻醉剂。电鳗的电击导致注射生理盐水的鱼的肌肉不断收缩，而被注射箭毒的鱼在药效开始起作用后就不再发生肌肉收缩。这展示了电鳗的放电是作用在运动神经元上，和泰瑟枪的放电是同一个原理。

接下来卡塔尼亚将注意力关注于电鳗利用电信号来捕获猎物的方式。电鳗是夜间动物，视力并不好，因此它需要其它方式来监测隐藏的猎物。生物学家确定电鳗发出的二连脉冲或者三连脉冲与肌肉神经元向肌肉发送的用于产生极度快速肌肉收缩的电信号是相一致的。

“一般来说，人类或者动物无法实现身体所有肌肉同时收缩。然而，这就是电鳗的电信号能够产生的后果。” 卡塔尼亚表示。结合电鳗对水运动极度敏感，以及整个身体肌肉收缩会导致猎物的身体抽搐，从而产生电鳗能够感知的水运动，卡塔尼亚总结称电鳗利用这些信号定位隐藏的猎物。

为了测试这一假说，卡塔尼亚将刺毁脑脊髓的鱼连接到一个刺激器上，它将鱼放在透明的塑料袋里以保护它们不受到电鳗的电击。他发现当电鳗释放信号后，如果他立即刺激鱼类抽搐，电鳗就会发起攻击。但是如果鱼类没有针对信号做出回应，电鳗就不会发起攻击。这一结果支持了之前的观点，也即电鳗利用电击系统迫使猎物显露自己的位置。

“如果你仔细想想，会发现电鳗真是太不可思议了。”卡塔尼亚说道。“它能利用自身电系统遥远的控制猎物的身体。如果附近隐藏了一条鱼，电鳗可以迫使它抽搐，泄露自己的位置信息，如果电鳗已经准备好猎捕鱼，那么它会立即麻痹后者使得鱼无法逃离。”这项研究得到了美国国家科学院普拉德尔研究奖、古根海姆奖和国家科学基金会的资金支持。

校对：龚纯

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