科学解释电鱼是如何发电

“电鱼在电器官的帮助下发电。这些电器官已经修改了称为电细胞的肌肉细胞，产生电能。”

18世纪和19世纪是电气化时代！路易吉·加尔瓦尼通过电击一只青蛙来观察它的肌肉是否会抽搐（他们这样做了），他发现了动物电；亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·安纳塔西欧·伏特一直致力于制作最终成为现代电池的东西；亚历山大·冯·洪堡一直质疑电，无论是动物电，还是金属电；而迈克尔·法拉第揭示了电和磁内在联系。

信不信由你，这些优秀的科学家们工作的共同线索是电鳗。

多年来，电鳗启发了科学家，成为艺术和音乐的主题。科学家最近发现，这种亚马逊栖息的鱼（它的名字是一个错误的名称，因为它实际上是一种刀鱼）实际上是三种不同的鱼 ：电鳗、电鳐和电鲶。这些鱼如何产生高达860V的电压？

• 图注：电鳗具有超强电能的鱼之一，最近发现的电鳗可以产生高达860V的电力。它生活在亚马逊河中，体型长到2.4米。

电鳗并不是唯一能发电的鱼。有许多鱼以不同的能力发电。广义上说，有两种类型的电鱼，弱电鱼和强电鱼。弱电鱼，如彼得象鼻鱼和黑鬼刀鱼不能产生足够的电来电击任何东西，但它作为一个感官器官，帮助它们与周围环境沟通和互动。

强电鱼是指那些会产生电冲击波，可以造成伤害。电鳗，属于裸背电鳗科家族的刀鱼，是这些品种中最受欢迎的一种。电鳐、电鲶跟电鳗一样，一样能发出强大的电冲击波。这些鱼使用它们的电力来达到各种目的，从通信和电定位狩猎或防御。

器官和电池

电鱼通过专门的电器官产生电能。例如，电鳗的电器官占据了鱼身体的2/3，它被分成三个不同的部分，每个部分产生不同性质的电流。主器官和Hunter器官产生高剂量电流，而Sach器官负责低电压。电光鱼的头部两侧有两个大型电器官（有些可能尾有电器官），而彼得象鼻鱼的尾巴附近有电器官。

在器官内有称为电细胞的细胞，排列成层叠的列，多个列相互平行，其间充满体液。电细胞是肌肉（在大多数情况下）或神经源的修饰细胞，这些细胞产生鳗鱼的电脉冲。列中的电核细胞数量和列数决定了鱼能产生多少电量。

电细胞如何产生电能是令人着迷和特殊的问题。电细胞有两个侧面，一个是由运动神经支配的后侧，另一个是起伏和轻微隆起前侧。其膜有许多微小的蛋白质通道，选择性地允许钠 （Na+） 和钾离子 （K+） 流入和流出细胞。

电细胞通过泵出Na+和K+离子，在外部（相对）环境中保持正极和负极。在神经系统（由运动神经元携带到电细胞）的指导下，电细胞产生偶极子。

来自运动神经元的信号导致后侧的离子通道将 Na+ 和 K+ 泵入细胞，而前侧继续将正离子泵出细胞。这给细胞的后侧一个相对正的电荷（在细胞内部）和前侧一个负电荷（在细胞内部）。瞧，一个偶极子已经形成，鱼产生了电。

一个电细胞本身起不到什么作用，但一个拳头包大小内的电细胞的堆叠方式，就会影响其产生的电能的形式（鱼是优先处理高电压，反之亦然），例如，电鳗在一列中可以有多达6，000个电细胞。电鳐（具有许多较短的列，每列有 1，000 个电核，因而电光鱼优先增加电流而不是电压。

电击模式：

电鱼可以脉冲或波形(波形)的方式发射电器官放电（EOD）。此外，它们还可以产生直流电（单相）或交流电、交流电（双相电）。

Brachyhypopomus walteri，一种弱电鱼，尾巴长，橙色鳞片斑，产生交流脉冲，当转换成声音时，听起来就像"砰砰"声。

产生电波的电鱼是弱电鱼，因为不断放电的鱼一直在消耗能量。它们的放电的振幅不如一些脉冲发光的电鱼高，但它们的波模式确实允许它们的电信号隐藏在检测之外，因为大多数掠食性鱼类可以感应到直流脉冲（如捕食性电鳗和电鲶鱼）。

鱼用电是干什么用的？

大多数电鱼使用电作为感官工具，很像视觉和触摸。对于淡水鱼，如生活在亚马逊黑暗海水中的电鳗和电鲶鱼，电替代了视觉。鱼发出电场（通过其EOD），其细胞膜上的感受器收集其周围环境的信息。这些电感受器（在电鳗和电鲶鱼中皮肤上有明显的坑）起着伏特计的作用，感知其周围环境引起的电场变化，并确定是否有东西可以作为晚餐。此图显示一条刀鱼使用其电定位。

• 图注：彼得象鼻鱼（Gnathonemuspetersii）是一种弱电鱼，它使用电器官作为感官装置，让它"看到"周围的环境，这称为电定位。

有时，两条放电频率相似的电鱼相互碰撞，导致它们的电场重叠。为了防止两个信号引起的干扰，电鱼想出了一个巧妙的机制，称为干扰避免机制。干扰避免机制是当两条鱼将改变其放电频率远离它们的邻居。它们根据其他鱼的EOD收集信息，然后相应地改变自己的信息。神经科学家对电鱼如何迅速作出反应以改变他们的电场非常着谜。

另一方面，放强电的电鳗用它们的电击电压来狩猎。新发现的电鳗可以产生高达860V的电力，足以使小型猎物疲惫不堪，并给大型哺乳动物带来轻微但令人吃惊的电击。

电鳗的狩猎策略特别有趣。它发出强EOD的脉冲来扰乱猎物的神经系统。在最初的脉冲波后，它发出更强的电脉冲，以击晕猎物。范德比尔特大学的研究人员肯尼思·卡塔尼亚发现，电鳗蜷缩在猎物周围，然后，发出电击使猎物完全瘫痪。这种蜷缩隐藏策略允许鳗鱼最大化其电击影响。

电鳗的头部是正极，尾部为负极。由于正电荷通过其电器官的流动方向，鱼具有偶极子性质。它将其正电荷头置于猎物的一端，将带负电荷的尾巴置于另一端，然后发出电脉冲。一旦工作完成，鳗鱼就会吞下它的猎物！

为什么电鱼电不着自己呢？

强电鱼的电器官用脂肪和结缔组织所填充。当鱼释放其电脉冲，这些组织将鱼与它们自己的电攻击性组织绝缘开来。人们还发现，电鱼的基因为电鱼提供某种绝缘。

体型大小也起着一定的作用。大多数掠食性强的电鱼比猎物大很多。有些电鳗体型可以达到2.4米的大小。它们的电流会把较小的猎物炸飞，但是对它们更大的身体没有多大影响，就像它不会对成年人造成严重影响一样。

话虽如此，电鱼并不完全防电击。特别是当从水种把电鱼捞出来时，许多人已经注意到，电鱼会抽搐。这因为空气不允许电荷像水（尤其是咸海水）一样迅速地从鱼体内消散。

并不是只有过去的科学家是受到大自然如何利用电的启发的人。弗里堡大学和密歇根大学的一组研究人员用电细胞作为灵感，制造了一种由凝胶状物质制成的软电池。研究小组希望他们的工作能用于某些医疗程序种。电鱼仍然有很多东西可以教科学家如何进行电定位工作，以及这些闪闪发光的鱼是如何进化的。可能还有更令人震惊电鱼秘密等待科学家来揭秘！