Πώς τα ηλεκτρικά ψάρια παράγουν ηλεκτρισμό;

Τα ηλεκτρικά ψάρια παράγουν ηλεκτρισμό με τη βοήθεια των ηλεκτρικών τους οργάνων. Αυτά τα ηλεκτρικά όργανα έχουν τροποποιήσει μυϊκά κύτταρα που ονομάζονται ηλεκτροκύτταρα που παράγουν ηλεκτρισμό.

Ο 18ος και ο 19ος αιώνας ήταν ηλεκτρισμένοι καιροί! Ο Λουίτζι Γκαλβάνι ανακάλυψε τον ηλεκτρισμό των ζώων χτυπώντας με ηλεκτροπληξία έναν βάτραχο για να δει αν οι μύες του θα συσπαστούν (έκαναν). Ο Alessandro Volta ήταν απασχολημένος με την κατασκευή αυτού που θα γινόταν τελικά η σύγχρονη μπαταρία. Ο Alexander Von Humboldt, σε όλη του τη δόξα, αμφέβαλλε για τον ηλεκτρισμό, τόσο ζωικό όσο και μεταλλικό, ενώ ο Michael Faraday αποκάλυπτε πώς συνδέονται ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός.

Το κοινό νήμα που διατρέχει το έργο αυτών των κυρίων είναι το ηλεκτρικό χέλι.

Με τα χρόνια, το ηλεκτρικό χέλι έχει τρομάξει αμέτρητα άλογα, έχει εμπνεύσει επιστήμονες και έχει γίνει αντικείμενο τέχνης και μουσικής.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν πρόσφατα ότι αυτό το ψάρι που κατοικεί στον Αμαζόνιο (το όνομά του είναι λανθασμένη ονομασία, καθώς είναι στην πραγματικότητα ένα είδος ψαριού - ένα μαχαιρόψαρο, για να είμαι συγκεκριμένος) είναι στην πραγματικότητα τρία διαφορετικά είδη ψαριών - το αρχικό Electrophorus electricus και δύο νέες προσθήκες, E. voltai, και E. varii. Λοιπόν, πώς αυτά τα ψάρια παράγουν τάση έως 860 V ?

Το ηλεκτρικό χέλι είναι ένα από τα πιο ηλεκτρισμένα ψάρια όσον αφορά την τιμή σοκ. Το πρόσφατα βρέθηκε E. volta μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αξίας έως και 860 V. Ζει στα ποτάμια του Αμαζονίου και μπορεί να φτάσει τα 8 πόδια σε μήκος. (Φωτογραφία:R. Maximiliane/Shutterstock)

Τύποι χελιών

Τα ηλεκτρικά χέλια δεν είναι τα μόνα ψάρια που μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό. Υπάρχει πλήθος ψαριών που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με διαφορετικές ικανότητες. Γενικά, υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικών ψαριών, τα ασθενώς ηλεκτρικά ψάρια και τα έντονα ηλεκτρικά ψάρια. Τα αδύναμα ηλεκτρικά ψάρια, όπως το ψάρι του Peter's elephantnose και το μαύρο μαχαίρι-φάντασμα, δεν παράγουν αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να σοκάρουν τίποτα, αλλά χρησιμεύουν ως αισθητήριο όργανο, βοηθώντας τα να επικοινωνούν και να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους.

Τα ισχυρά ηλεκτρικά ψάρια είναι αυτά που παράγουν κρουστικά κύματα που μπορούν να βλάψουν. Το ηλεκτρικό χέλι, ένα μαχαιρόψαρο που ανήκει στις Gymnotidae οικογένεια, είναι η πιο δημοφιλής από αυτές τις ποικιλίες. Το ηλεκτρικό γατόψαρο, η ηλεκτρική ακτίνα και ο ηλεκτρικός αστεροειδής είναι μερικά άλλα δυνατά τζίνγκερ. Αυτά τα ψάρια χρησιμοποιούν τις ηλεκτρικές τους δυνάμεις για διάφορους σκοπούς, από επικοινωνία και ηλεκτροεντοπισμό έως το κυνήγι ή την άμυνα.

Ανατομία ηλεκτρικού χελιού – Το ηλεκτρικό όργανο

Τα ηλεκτρικά ψάρια παράγουν την ηλεκτρική τους ενέργεια μέσω ενός εξειδικευμένου ηλεκτρικού οργάνου. Το ηλεκτρικό όργανο του ηλεκτρικού χελιού, για παράδειγμα, καταλαμβάνει περίπου τα 2/3 του σώματος του ψαριού, το οποίο χωρίζεται σε τρία διαφορετικά μέρη, το καθένα από τα οποία παράγει διαφορετική φύση ηλεκτρικού ρεύματος.

Το κύριο όργανο και το όργανο του Hunter παράγουν ηλεκτρικά ρεύματα υψηλής δόσης, ενώ το όργανο του Sach είναι υπεύθυνο για τις χαμηλές τάσεις. Η ηλεκτρική ακτίνα έχει δύο μεγάλα ηλεκτρικά όργανα εκατέρωθεν του κεφαλιού τους (μερικοί μπορεί να την έχουν στην ουρά τους), ενώ το ψάρι ελεφαντόζος του Πέτρου έχει το ηλεκτρικό του όργανο κοντά στην ουρά του.

Η ηλεκτρική ακτίνα έχει το ηλεκτρικό της όργανο εκατέρωθεν του κεφαλιού της. (Φωτογραφία:Alexander Graetz/Wikimedia Commons)

Ηλεκτροκύτταρα

Μέσα στο όργανο υπάρχουν κύτταρα που ονομάζονται ηλεκτροκύτταρα διατεταγμένα σε στοιβαγμένες στήλες, με πολλαπλές στήλες παράλληλες μεταξύ τους με χώρους γεμάτους με υγρό μεταξύ τους. Τα ηλεκτροκύτταρα είναι τροποποιημένα κύτταρα είτε μυϊκής (στις περισσότερες περιπτώσεις) είτε νευρικής προέλευσης. Αυτά τα κύτταρα δημιουργούν την ηλεκτρική διάτρηση του χελιού. Ο αριθμός των ηλεκτροκυττάρων σε μια στήλη και ο αριθμός των στηλών υπαγορεύουν πόση ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παράγει τα ψάρια.

Πώς τα ηλεκτρικά χέλια παράγουν ηλεκτρισμό;

Το πώς τα ηλεκτροκύτταρα παράγουν ηλεκτρισμό είναι συναρπαστικό και εξαιρετικά συγκεκριμένο. Τα ηλεκτροκύτταρα έχουν δύο πλευρές, μια οπίσθια πλευρά που νευρώνεται με έναν κινητικό νευρώνα και μια πρόσθια πλευρά που είναι κυματιστή και ελαφρώς τσαλακωμένη. Η μεμβράνη του έχει πολλά μικροσκοπικά κανάλια πρωτεΐνης που επιτρέπουν επιλεκτικά τα ιόντα νατρίου (Na+) και καλίου (K+) (διαφορετικά κανάλια για το καθένα) να ρέουν μέσα και έξω από το κύτταρο.

Τα ηλεκτροκύτταρα διατηρούν θετικό εξωτερικό και αρνητικό εσωτερικό (σχετικά) περιβάλλον αντλώντας ιόντα Na+ και K+. Κατόπιν εντολής του νευρικού συστήματος (που μεταφέρεται στο ηλεκτροκύτταρο από τον κινητικό νευρώνα), τα ηλεκτροκύτταρα δημιουργούν ένα δίπολο.

Μια διαγραμματική αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτροκύτταρα στα ηλεκτρικά ψάρια δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα.

Το σήμα από τον κινητικό νευρώνα αναγκάζει τα κανάλια ιόντων στην οπίσθια πλευρά να αντλούν Na+ και K+ στο κύτταρο, ενώ η πρόσθια πλευρά συνεχίζει να αντλεί τα θετικά ιόντα έξω από το κύτταρο. Αυτό δίνει στην οπίσθια πλευρά του κυττάρου ένα σχετικά θετικό φορτίο (στο εσωτερικό του κυττάρου) και στην πρόσθια πλευρά ένα αρνητικό φορτίο (στο εσωτερικό του κυττάρου). Voila, έχει δημιουργηθεί ένα δίπολο και το ψάρι έχει ρεύμα.

Ένα ηλεκτροκύτταρο δεν μπορεί να κάνει πολλά από μόνο του, αλλά συλλογικά, μπορούν να κάνουν μια γροθιά. Το πώς στοιβάζονται τα ηλεκτροκύτταρα κάνει επίσης διαφορά στην ηλεκτρική ενέργεια που παράγει (αν το ψάρι δίνει προτεραιότητα σε υψηλότερο ρεύμα έναντι υψηλότερης τάσης ή αντίστροφα). Το ηλεκτρικό χέλι, για παράδειγμα, μπορεί να έχει έως και 6.000 ηλεκτροκύτταρα σε μία στήλη. Η ηλεκτρική ακτίνα (είδος Torpedo) έχει πολλές μικρότερες στήλες με 1.000 ηλεκτροκύτταρα ανά στήλη, καθώς η ακτίνα δίνει προτεραιότητα στην αύξηση του ρεύματος έναντι της τάσης.

Πώς εκτονώνουν τα ηλεκτρικά χέλια;

Τα ηλεκτρικά ψάρια μπορούν είτε να εκπέμπουν μια ηλεκτρική εκκένωση οργάνων (EOD), με παλμούς ή με κυματοειδές (ημιτονοειδές) τρόπο. Επιπλέον, μπορούν είτε να παράγουν συνεχές ρεύμα (μονοφασικό) είτε εναλλασσόμενο ρεύμα (διφασικό).

Brachyhypopomus walteri, ένα ασθενώς ηλεκτρικό ψάρι με μακριά ολισθηρή ουρά και κηλίδες πορτοκαλί φολίδες, παράγει παλμούς AC που ακούγονται σαν «σκάνε» όταν μετατρέπονται σε ήχο. Ο συγγενής του Β. bennetti παράγει παλμούς συνεχούς ρεύματος.

Τα ηλεκτρικά ψάρια που παράγουν κύματα είναι ασθενώς ηλεκτρικά ψάρια, καθώς η συνεχής παραγωγή EOD αποστραγγίζει ενεργειακά. Το πλάτος των EOD τους δεν είναι τόσο υψηλό όσο ορισμένα ηλεκτρικά ψάρια που εκπέμπουν παλμούς, αλλά το μοτίβο κυμάτων τους επιτρέπει στα ηλεκτρικά τους σήματα να κρύβονται από την ανίχνευση, καθώς τα περισσότερα αρπακτικά ψάρια μπορούν να αισθανθούν παλμούς DC (όπως το αρπακτικό ηλεκτρικό χέλι και το ηλεκτρικό γατόψαρο) , σε αντίθεση με το ρεύμα AC.

Σε τι χρησιμοποιούν τα ψάρια την ηλεκτρική τους ισχύ;

Τα περισσότερα ηλεκτρικά ψάρια χρησιμοποιούν τον ηλεκτρισμό ως αισθητήριο εργαλείο, όπως η όραση, τα μικρά και η αφή. Για τα ψάρια του γλυκού νερού όπως το ηλεκτρικό γατόψαρο και το ηλεκτρικό χέλι που ζουν στα θολά, σκοτεινά νερά του Αμαζονίου, ο ηλεκτρισμός αντικαθιστά μια αίσθηση όπως η όραση. Τα ψάρια εκπέμπουν ένα ηλεκτρικό πεδίο (μέσω των EOD τους) και οι υποδοχείς στις μεμβράνες τους συλλέγουν πληροφορίες για το περιβάλλον τους. Αυτοί οι ηλεκτρουποδοχείς (που παρατηρούνται στα ηλεκτρικά χέλια και στο ηλεκτρικό γατόψαρο ως λάκκους στο δέρμα τους) λειτουργούν σαν βολτόμετρα, ανιχνεύοντας τις αλλαγές στο ηλεκτρικό πεδίο που προκαλούνται από το περιβάλλον τους και καθορίζοντας αν κάτι μπορεί να είναι βραδινό. Αυτό το βίντεο δείχνει ένα μαχαιρόψαρο να χρησιμοποιεί την ηλεκτροπόρωση του.

Το ψάρι ελέφαντα του Πέτρου (Gnathonemus petersii) είναι ένα ασθενώς ηλεκτρικό ψάρι που χρησιμοποιεί το ηλεκτρικό του όργανο ως αισθητήριο για να του επιτρέψει να «βλέπει» το περιβάλλον του. Αυτό ονομάζεται ηλεκτροεντοπισμός. (Φωτογραφία:boban_nz/Shutterstock)

Μερικές φορές δύο ηλεκτρικά ψάρια με παρόμοιες συχνότητες εκφόρτισης προσκρούουν το ένα στο άλλο, προκαλώντας την επικάλυψη των ηλεκτρικών τους πεδίων. Για την αποφυγή παρεμβολών που προκαλούνται από τα δύο σήματα, τα ηλεκτρικά ψάρια έχουν δημιουργήσει έναν έξυπνο μηχανισμό που ονομάζεται μηχανισμός αποφυγής παρεμβολών.

Ο μηχανισμός αποφυγής εμπλοκής είναι όταν τα δύο ψάρια αλλάζουν τις συχνότητες εκφόρτισης μακριά από τους γείτονές τους. Συλλέγουν πληροφορίες με βάση την EOD του άλλου ψαριού και στη συνέχεια αλλάζουν τις δικές τους ανάλογα. Οι νευροεπιστήμονες έχουν γοητευτεί από το πώς τα ηλεκτρικά ψάρια μπορούν γρήγορα να ανταποκριθούν στο περιβάλλον τους για να αλλάξουν το ηλεκτρικό τους πεδίο.

Τα έντονα ηλεκτρικά ψάρια, από την άλλη, κυνηγούν με την τιμή σοκ τους.

Το νεοανακαλυφθέν E. volta μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αξίας έως και 860 V, αρκετή για να θρυμματίσει το μικρό θήραμα και να προκαλέσει ένα ελαφρύ, αλλά εκπληκτικό σοκ σε ένα μεγαλύτερο θηλαστικό.

Η στρατηγική κυνηγιού του ηλεκτρικού χελιού είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα.

Εκπέμπει παλμούς ισχυρού EOD για να αποσυντονίσει το νευρικό σύστημα του θηράματός του. Μετά το αρχικό volley των παλμών, επιστρέφει με ισχυρότερο EOD στο «KO» της λείας του. Ο Kenneth Catania, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt, διαπίστωσε ότι τα ηλεκτρικά χέλια τυλίγονται γύρω από το θήραμά τους για να το παραλύσουν πλήρως. Αυτή η στρατηγική επιτρέπει στο χέλι να μεγιστοποιήσει τον αντίκτυπο του σοκ του.

Το κεφάλι του ηλεκτρικού χελιού είναι θετικό σε σύγκριση με την ουρά του, που είναι πιο αρνητική. Το ψάρι έχει αυτή τη διπολική φύση λόγω της κατεύθυνσης της ροής του θετικού φορτίου μέσω του ηλεκτρικού του οργάνου. Τοποθετεί το θετικά φορτισμένο κεφάλι του στο ένα άκρο του θηράματός του και την αρνητικά φορτισμένη ουρά του στο άλλο άκρο, και στη συνέχεια εκπέμπει τα κρουστικά κύματα του. Μόλις τελειώσει η δουλειά, το χέλι καταπίνει ολόκληρο το θήραμά του!

Γιατί τα ψάρια δεν σοκάρονται τελικά;

Το ηλεκτρικό όργανο των ισχυρά ηλεκτρικών ψαριών είναι γεμάτο με λιπώδη και συνδετικό ιστό. Όταν τα ψάρια απελευθερώνουν το σοκ τους, αυτοί οι ιστοί μονώνουν τα ψάρια από τη δική τους επιθετική τακτική. Τα ηλεκτρικά ψάρια έχουν επίσης βρεθεί ότι εκφράζουν παρόμοια γονίδια που μπορεί να προσφέρουν στα ψάρια κάποια μόνωση.

Το μέγεθος παίζει επίσης ρόλο. Τα περισσότερα αρπακτικά ισχυρά ηλεκτρικά ψάρια είναι πολύ μεγαλύτερα σε μέγεθος από τη λεία τους. Μερικά ηλεκτρικά χέλια μπορούν να φτάσουν σε μεγέθη έως και 8 πόδια. Το ρεύμα τους θα τηγανίσει το μικρότερο θήραμά τους, αλλά δεν θα έκανε πολλά στο μεγαλύτερο σώμα τους, όπως το πώς δεν θα επηρέαζε σοβαρά έναν ενήλικο άνθρωπο.

The electric stargazer, ένα ισχυρά ηλεκτρικό ψάρι (Photo Credit :Canvasman21 /Wikimedia Commons)

Τούτου λεχθέντος, τα ηλεκτρικά ψάρια δεν είναι εντελώς ανθεκτικά σε κραδασμούς. Πολλοί έχουν παρατηρήσει ότι τα ηλεκτρικά ψάρια συσπώνται, ειδικά όταν αφαιρούνται από το νερό. Αυτό μπορεί να συμβαίνει επειδή ο αέρας δεν επιτρέπει στο φορτίο να διαχέεται από τα ψάρια τόσο γρήγορα όσο το νερό (ειδικά το αλμυρό θαλασσινό νερό).

Οι επιστήμονες του παρελθόντος δεν είναι οι μόνοι που εμπνέονται από το πώς η φύση κατάφερε να αξιοποιήσει τον ηλεκτρισμό. Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ και το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν δημιούργησαν μια μαλακή μπαταρία κατασκευασμένη από μια ουσία που μοιάζει με γέλη χρησιμοποιώντας ηλεκτροκύτταρα ως έμπνευση. Η ομάδα ελπίζει ότι το έργο τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένες ιατρικές διαδικασίες.

Τα ηλεκτρικά ψάρια έχουν ακόμη πολλά να διδάξουν στους επιστήμονες για το πώς λειτουργεί ο ηλεκτροεντοπισμός και πώς αυτά τα σπινθηροβόλα ψάρια εξελίχθηκαν αρχικά. Θα μπορούσαν να έρθουν ακόμη πιο συγκλονιστικές ερευνητικές αποκαλύψεις – απλώς βεβαιωθείτε ότι δεν θα παρασυρθείτε στη διαδικασία!