电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

在多数人看来,生物可以发电是不可思议的,这就像是一种超能力。不过在你深入了解了相关生物的知识之后,你就会意识到,生物可以进化出放电能力是理所当然的,应该说如果在地球上亿个物种中还没有一个用电的,才是怪事呢。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

为什么这么说,因为这个地球是所有的动物植物真菌都是由“电”驱动的,运用电是我们所有生物最基本的能力,所以连草履虫这样的单细胞原生动物都是依赖它而生存的,所以进化出直接用电攻击的生物并不需要从头再来,只要把已经存在的结构稍稍改造一下就好了。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

电能转化学能

首先我们来认识一下细胞膜,它是由双层磷脂分子构成的,那自然界无数的化合物中为什么偏偏要用它来组成细胞膜,而且在几十亿年间的进化中并没有出现新的,取代磷脂组成细胞膜的有机分子,这是为什么呢?

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首先是因为磷脂分子可以自发地形成双层结构,稳定性好;其次是磷脂分子与蛋白质的相性比较好,可以在其中镶嵌很多蛋白质;最后是磷脂分子的绝缘性很好,不会轻易漏电。

什么漏电?细胞还要面临漏电的问题?是的,而且我们真核生物的有氧呼吸依赖的正是膜系统的“电机”。

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线粒体是细胞有氧呼吸的主要场所,还记得生物书的图不,线粒体中有很多褶皱一般的膜,以前我们不知道这些膜是干什么的,但现在我们已经明白了,这些膜就是有氧呼吸的关键。被氧化的葡萄糖并没有直接合成ATP,而是变成了携带能量的氢原子,这些氢原子在线粒体内膜上蛋白质的引导下被拆成开并运输到膜的两侧,膜内是电子,膜外是质子。

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我们知道电压,也就是所谓的电势差其实就是正负电荷相互吸引的库仑力产生的,在线粒体内膜的两侧富集了大量的正电荷与负电荷,产生了高达数十万伏特的电压,与一片雷云相当!

质子穿过镶在膜上的ATP合成酶,带动酶的轴心转动,像磨盘一样将ADP与一个Pi基团压制在一起变成ATP。令人惊叹,这就是在所有生物细胞中默默工作了数十亿年的生命奇迹。

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化学能转电能

同样,有了第一次自然就有第二次,有消耗电能合成ATP的酶,就有消耗ATP产生电能的酶,遍布我们全身的神经细胞就是典型,我们知道神经信号的本质是电信号,所以我们的大脑才能被检测到脑电波。神经细胞的主要工作准备就是搬运离子,通过消耗ATP,膜上被称为“离子通道”的蛋白质将钠与钙离子搬到细胞外,将钾离子搬到膜内。

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每搬进来两个钾离子就要搬出去三个钠离子,所以细胞外正电荷要多于细胞内,这时的细胞膜内外产生了大约70mv的电势差,这些电能蓄势待发,只要一受到刺激,就会立即打开被动离子通道,让离子们随着电势差与浓度梯度移动从而激发信号。

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强化电能的必然之路

看,其实神经细胞也已经能完成消耗生物化学能变成电能的工作了,这算是完成了第二步。于是第三步也就顺理成章了,只要能将很多可能产生电势能的细胞串联起来,就可以将电压积累到相当可怕的程度,而电鳗所做的也正是第三步。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

电鳗的发电细胞是由肌肉细胞改造来的,肌肉的运动也是依赖神经控制与离子电压差,所以与神经细胞的原理是一模一样的,连“离子通道”都一模一样——钠钾离子通道。平时这些细胞就将钠钾离子泵出细胞。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

不过细胞内外的电能怎么样才能变成体外的电能呢?电鳗有一个巧妙的解决方案,发电细胞就像砖块一样紧密地排列在一起,连接它们的是不导电的脂肪,这样发电细胞的两端就被绝缘隔离了,一侧光滑一侧有丰富的褶皱,变成了一个小电池,这样的发电细胞在电鳗身体两侧有6000~10000枚。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

拥有了这样巧妙的结构,两通过特化的神经细胞将它们串起来也就不是难事了,在电鳗的脊髓中有一根充当主导线的主神经细胞,由厚厚的、绝缘的髓鞘细胞包裹着,正极通到下巴,负极通往尾巴,把所有连接发电细胞的小神经汇总到一起。

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

当需要的时候,电鳗大脑中发出信号给发电细胞,不过只打开光滑一端的离子通道,打开后钠离子涌入钾离子涌出,电势差在细胞内被中和了。但是本来没有电势差的发电细胞两侧出现了离子不平衡,正电荷集中在多褶皱的一侧,而负电荷集中在光滑的一侧, 它们需要相见但细胞膜与脂肪阻碍了它们,于是电荷只能绕道从电鳗的体外通过,就产生了定向电流啦!

电鳗为什么会放电?生物放电是超能力吗?

这就是电鳗的发电原理了,是不是还挺好懂的呢?我是酋知鱼,一只不会放电的科学作者,欢迎关注!