電鰻如何殺死一匹馬?
文章來源:環球科學
幾百年前就有記錄表明電鰻能電暈獵物。不過,除非你在《星際迷航》中的太空戰艦上負責安保工作,否則你可能並不了解「電暈」這個詞的準確含義。電鰻發動攻擊時到底發生了什麼?令人驚訝的是,直到最近,生物學家對電鰻仍知之甚少。
在這篇節選自《環球科學》5月新刊的文章中,來自美國范德堡大學的生物學教授,為我們介紹了其在研究電鰻時的奇特現象。
電鰻用高壓電攻擊一條魚時,電鰻附近的魚在3毫秒內全都「石化」了,就好像是它們變成了一個個小雕塑,靜止不動地漂在水中。一開始,我以為它們都被電死了。但是,當電鰻沒能抓住獵物並停止釋放高壓電後,這些魚就立馬「解凍」,然後全速游開了。也就是說,電鰻的影響是暫時的。我被這一現象吸引了,特別想弄明白這到底是怎麼回事兒。
我想到和電鰻最像的,就是美國警察執法時使用的泰瑟槍(Taser,又稱「電休克槍」)。泰瑟槍會干擾人體神經系統控制肌肉的能力,進而導致神經肌肉喪失功能。泰瑟槍通過電線傳輸短暫的高壓電流脈衝,每秒達19次。不同的是,電鰻能發出只持續約2毫秒的脈衝,並且可以每秒連續放電400多次——這可比泰瑟槍快多了。那麼是否可以說,電鰻只是會游泳的增強版泰瑟槍?為了回答這個問題,我開始了一項為期3年的研究,
用電的獵手
你或許沒想到,電鰻並不是一種鰻魚,而是屬於電鰻科(Gymnotidae)。電鰻科的其他魚類只能放出很微弱的電流,用來感知周圍環境以及彼此交流。在演化過程中,電鰻的放電能力不斷增強。電鰻的發電器官遍布全身(電鰻體長可達1.8米,體重超過18千克),正因為如此,它們能產生最高可達600伏特的電壓。電鰻的發電器官由數千個特殊的圓盤形細胞組成,也就是發電細胞(electrocyte),它們像電池一樣可以存儲和釋放電能。
為了研究電鰻的攻擊原理與泰瑟槍是否一致,我需要觀察電鰻是如何捕獵的。首先,我把電鰻和一條死魚(它的神經和肌肉仍可正常工作)放在水缸中,二者被一塊擋板隔開,但電流可以通過擋板。同時,水缸旁邊還有一台設備能夠檢測死魚的肌肉收縮。接下來,我用蚯蚓餵食電鰻,電鰻很開心地先電暈它們再吃掉。這樣一來,我就可以測量魚的肌肉對電鰻捕獵時釋放的高壓電流脈衝的反應了。
我發現,在電鰻釋放連續的高壓電流脈衝3毫秒後,死魚的肌肉會大幅收縮。在之前的慢動作錄像中,電鰻周圍的魚也恰好是在電鰻放電3毫秒後停止移動。很顯然,電鰻比人類更早發明了泰瑟槍。不過,我發現的可不只有這些。我還發現,電鰻並不是直接刺激魚的肌肉,而是激活控制肌肉的神經,讓獵物動彈不得。每次高壓電流脈衝都會在魚的運動神經上產生動作電位(即神經衝動)。電鰻使用了一種高保真的遠程控制方式,「定」住了獵物。
電鰻的攻擊模式
有趣的是,這意味著獵物的肌肉反應或許對電鰻的電流攻擊也有一定的影響。有了這一發現,我開始重新思考電鰻的連續高壓攻擊。理查德·鮑爾(Richard Bauer)在1977年發表的一項研究格外引人注目。鮑爾的研究稱,電鰻捕獵時通常會在釋放兩次高壓電流脈衝後停頓一下,每次停頓時間約為2毫秒。這兩次高壓電流脈衝也因此被稱作雙脈衝(doublet)。我自己做實驗時,電鰻也都出現了這種行為。這是為什麼呢?
我稍微研究一點肌肉生理學就發現,運動神經元向肌肉發出雙脈衝(也就是運動電勢)是產生最大肌肉張力的最好方法。這也就是為什麼我的實驗表明,電鰻的雙脈衝會導致附近獵物出現短暫而嚴重的全身痙攣,而連續電擊會使獵物持續麻痹。全身痙攣會使得獵物周邊的水發生運動——即產生水下聲波。由於電鰻能感受到極微弱的水流,因此我想到了一個有趣的可能性:電鰻釋放雙脈衝是為了探測周圍是否存在生命體。畢竟,野生電鰻生活在亞馬孫雨林中,它的周圍有各種各樣隱藏起來的獵物——這些獵物可比丟進水缸里的蟲子或金魚更難發現。
用電流搜尋獵物
當我研究電鰻的捕獵行為時,我還注意到其他一些事情。我曾經認為,電鰻的進攻就像發射子彈——都是事先規劃,一旦行動之後便不需要再根據感覺器官接收到的反饋信息進行調整。不過我現在認識到,電鰻還能將高壓電流脈衝用於追蹤。那麼,高壓電流能不能當作電鰻的感知工具呢?我決定通過實驗來驗證這種可能性。
在設計實驗時,我利用了獵物的導電性以及電鰻的攻擊性。在水中生活的動物的導電性往往比水更好,因此電鰻對導體格外敏感,因為能導電是生命體的特徵。不過需要記住的是,電鰻會使用低壓電流來探測水中的導體,直到發起進攻時才會切換到高壓電流。為了測試電鰻用高壓電流感知周圍環境的能力,我拍攝了電鰻發動攻擊時的慢動作視頻,因為電鰻在攻擊時會關閉低壓電流,切換到高壓電流。
第一個簡單的實驗是在水缸里增加一根由碳製成的導體棒,就放在那條裝在密封袋裡的死魚旁邊。當電鰻察覺到死魚痙攣產生的水流後,它便發動攻擊,沖向那條在絕緣袋裡的魚。不過這次,電鰻在半路上改變了目標,轉而沖向了碳棒,並且試圖把碳棒吸入嘴中。看起來,電鰻好像把碳棒當成了魚。如果電鰻真的能利用高壓電流脈衝追蹤獵物,這種現象就確實會發生。
在後續實驗中,我加入多根塑料棒作為對照組,來排除電鰻用視覺選擇獵物的可能性。在每次實驗中,電鰻都會攻擊碳棒,連續釋放高壓電流。在終極測試中,我設計了一個快速旋轉的圓盤,將一根很小的導體嵌在圓盤表面,其他部分都是絕緣材料,跟對照組一模一樣。電鰻的表現堪稱完美:它們在釋放高壓電流期間,成功追蹤並攻擊了導體,速度之快、精度之高,跟使用電來感知周圍的動物相比是有過之而無不及。我們相信,電鰻發出的高壓電流不僅是制服獵物的武器,同時也可以用來追蹤獵物,屬於感官系統的一部分。隨著研究的深入,我對電鰻的本事也是愈加讚歎。接下來,我也將成為實驗的一部分。
主動防禦
1800年3月,德國自然學家亞歷山大·馮·洪堡(Alexander von Humboldt)雇了幾個亞馬孫地區的漁民,打算抓一些電鰻來做實驗。後來,這件事變成了一個傳奇故事。這些漁民決定用馬來抓電鰻,他們找來30匹野馬和騾子,驅趕它們進入一片滿是電鰻的淺水塘。結果,電鰻從水塘中躍起發動攻擊,不停地電擊這些馬和騾子。漁民們大聲呵斥並揮動著樹杈,把這些受到驚嚇的馬困在池塘里,直到電鰻耗盡能量。隨後,漁民很安全地就抓到了這些電鰻。最終有兩匹馬死於這次行動,其他的則踉踉蹌蹌地走出池塘,癱倒在水塘邊上。洪堡在1807年報道了這次經歷,並贏得了聲望。不過,後來有些學者開始質疑洪堡的這一描述。電鰻為什麼要冒著受傷的風險,來攻擊自己不能吃的大型動物?在之後的200多年裡,再沒出現過對電鰻這種行為的報道,直到我在實驗室用錯誤的漁網去捕捉一條很大的電鰻。
通常,電鰻並不會躍出水缸。不過也有例外,當你在水面上用一個大導體靠近一隻無處可逃的電鰻時,它往往會瘋狂地發動進攻。我之所以能發現電鰻的這種行為,是因為我當時試圖用一個帶金屬圈和金屬把手的漁網,把一隻大電鰻換到一個新水缸里。一瞬間,電鰻調轉方向,從水中躍出,用下頜抵住了金屬把手,釋放出長時間的連續高壓電流脈衝(幸好我當時戴了絕緣橡膠手套)。實驗室里所有的受試電鰻都出現了這一令人震驚的防禦性行為。
隨著對電鰻行為的進一步研究,結合洪堡的敘述,很多問題就有了答案。如果電鰻把較小的導體當作是可以食用的獵物,那麼它就會游向獵物。半沒在水中的大型導體很可能會被當成大型危險動物,比如一隻貓或一條鱷魚。電鰻為什麼不遊走呢?那是因為在乾旱季節,亞馬孫地區的電鰻往往會被困在小池塘里,此時它們就有被吃掉的風險,洪堡的故事描述的就是這種情形。
用胳膊做實驗
對於有些東西,學校的財務部門是肯定不會給你買的,而屍體的手臂恰好就屬於這類。所以,當我需要一些假胳膊來做實驗時,我想了想還是自己掏腰包算了。這些實驗是為了進一步研究電鰻的跳躍行為,在去掉這些假胳膊上的假血管後,我在胳膊裡面放了一些會發光的二極體,來模擬神經通路。隨後,我拿改造後的胳膊靠近電鰻。作為回應,電鰻開始瘋狂跳躍來進行防禦。電鰻放電時跳得越高,假胳膊里的二極體也就越亮。
實驗室中最大的電鰻體長超過90厘米,它的發電器官可產生382伏特的電壓。由於它自身的電阻只有450歐姆,因此如果沒有其他阻力,這條電鰻可產生將近1安培的電流,這可比泰瑟槍厲害多了!所以說,被這傢伙電一下可不是鬧著玩的。
當電鰻躍出水面,用下頜抵住獵物時,從電鰻頭部到尾部的那條電路就被關閉了——因為空氣不是良導體。這時,一條通過獵物的新電路將取而代之。不同尋常的是,電鰻躍出水面越高,施加在獵物身上的電壓也越高——這跟調節音量很像。這種現象解釋了電鰻躍出水面這種行為是如何演化來的,因為跳的高度越高越有優勢。現在,我可以很自信地宣布,電鰻在攻擊時跳出水面能高效地提高電壓。
在一開始,我進行這個研究項目可能是為了在將來能講授更多關於電鰻的知識,但最後反而是電鰻給我上了一課。每次研究一個新物種,我都發現,動物總是比人們想像的更厲害、更有趣。
撰文?肯尼斯·C·卡坦尼亞(Kenneth C。 Catania) ?
翻譯?張哲
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