电鳗的惊人秘密

电鳗会击晕猎物已不是什么秘密，关于此类事件的记载可以追溯到几个世纪前。但是，除非你在星舰企业号上从事安保工作，否则“击晕”只是一个模糊的术语。当这些生物攻击时，究竟发生了什么？直到最近，生物学家对电鳗的超能力知之甚少。我原本没有计划研究这种现象，当然也从未想过我会为了科学而将手臂伸向电鳗，正如我最终所做的那样。但作为范德堡大学的生物科学教授，我教授关于电鱼的课程，当我把一些电鳗带到我的实验室，以便获得新的照片和慢动作电影来活跃我的讲座时，我看到了一些非常奇怪的事情，以至于我不得不放下其他一切去进行调查。

当一条电鳗用高压攻击一条猎物鱼时，水箱中所有附近的鱼在短短三毫秒内都完全静止不动。就好像它们变成了小雕像一样；它们只是静止不动地漂浮在水中。起初，我怀疑它们只是被杀死了。但是，如果电鳗错过了目标并关闭了高压，鱼就会“解冻”并全速逃离。电鳗的效果是暂时的。我被迷住了；我必须知道电鳗的电击攻击是如何运作的。

我最先想到的最明显的类比是执法部门的泰瑟枪，它通过干扰神经系统控制肌肉的能力来引起神经肌肉功能丧失。泰瑟枪通过导线以每秒 19 次脉冲的速率传递短时高压脉冲。电鳗不需要导线，因为水允许电流流动，就像吹风机掉进浴缸时发生的情况一样。但除此之外，电鳗的输出与泰瑟枪的输出相似：它以短暂的脉冲形式出现，每个脉冲仅持续约两毫秒。然而，在一次攻击齐射中，电鳗每秒可以发出超过 400 个脉冲，这比执法设备的速度快得多。电鳗会不会是动力更强的游泳泰瑟枪？

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带着这个问题，我开始了为期三年的任务，以解开电鳗攻击的机制及其电击对猎物和潜在捕食者的影响。电鳗对电力的复杂运用让我每一步都感到惊讶，并提醒我，人类的发明与大自然的发明相比，根本不值一提。

惊人的价值

您可能会惊讶地得知，电鳗并非真正的鳗鱼，而是属于南美洲裸背鱼科的一种鱼类。该科的其他成员会发出非常微弱的放电，它们利用这些放电来感知周围环境和进行交流。电鳗在进化过程中增强了其电力。由于其电器官几乎遍布全身（这种动物可以长到八英尺长，重达 40 多磅），它可以产生高达 600 伏的电荷。该器官由数千个特殊的盘状细胞组成，称为电细胞，它们像电池一样放电。

为了调查电鳗是否像泰瑟枪一样运作以使猎物丧失能力的可能性，我需要观察这种动物的捕猎模式。因此，我设计了一个实验，利用了电鳗对蚯蚓贪得无厌的食欲。首先，我将一条仍然具有工作神经和肌肉的死鱼放入水中（但用一个可导电的屏障隔开），并用绳子将其连接到一个测量肌肉收缩的装置上。然后我喂给电鳗蚯蚓，它高兴地电击并吃掉了蚯蚓。这种设置使我能够对鱼肌肉对来自捕猎电鳗的高压脉冲的反应进行一系列测试。

来自电鳗的高压脉冲齐射在电击攻击开始后三毫秒引起了鱼体内的大规模肌肉收缩，这与慢动作电影中鱼停止移动之前经过的时间完全相同。显然，电鳗在人类之前很久就发明了泰瑟枪。但实验表明的远不止这些。电鳗不会直接激活鱼的肌肉。相反，它们的电击会激活通向鱼肌肉的神经。电鳗的每个高压脉冲都会在鱼的运动神经中产生一个动作电位，或神经冲动。

考虑到电鳗的电器官是由动物自身的运动神经激活的改良肌肉，这一发现非常了不起。运动神经反过来又被大脑中的神经元激活。对于每个高压脉冲，指挥信号的流动都从电鳗的大脑开始，并传播到其运动神经元，然后激活电器官。从那里，信号通过水传播，触发附近鱼类中的运动神经元，然后是肌肉。换句话说，电鳗利用一种高保真遥控形式来使其猎物丧失行动能力。

有趣的是，这种见解表明，电鳗的电力输出可能部分受到猎物肌肉变化的影响。考虑到这一发现，我开始以新的视角审视电鳗的高压齐射。我尤其对之前一位研究员理查德·鲍尔在 1979 年的报告感到好奇，该报告显示，捕猎电鳗通常会暂停发出成对的高压脉冲，每个脉冲之间间隔两毫秒。这些成对的脉冲称为双脉冲，我实验室中的所有电鳗都表现出相同的行为。我想知道，双脉冲是用来做什么的？

对肌肉生理学的一点研究表明，从运动神经元发送到肌肉的双脉冲（也可以描述为成对的动作电位）是产生最大肌肉张力的最佳方式。因此，我的实验表明，电鳗双脉冲会导致附近猎物短暂、大规模的全身抽搐，这与导致持续麻痹的齐射形成对比。抽搐反过来又会产生强烈的排水量，本质上是一种水下声音。考虑到电鳗对最轻微的水流动的敏锐度，一个有趣的可能浮现在脑海。双脉冲会不会是电鳗询问“你还活着吗？”的方式？毕竟，野生电鳗在亚马逊的夜晚捕猎，周围环绕着各种各样的隐藏猎物，这些猎物比掉进水箱的蠕虫和金鱼更难找到。

我的实验室中的电鳗捕猎新的猎物，例如小龙虾，或隐藏在水箱植物中的猎物时，它们经常在搜索时发出双脉冲，并在猎物抽搐后进行攻击，就好像猎物的移动向它们发出了提示一样。这些都是说明性的观察结果，但为了提供更直接的证据，我将死鱼连接到一个电刺激器上，该刺激器可以由我或电鳗的双脉冲触发。然后，我将有线鱼放入一个拉链袋中，这样电鳗自身的双脉冲就不会对其产生影响。这种设置使我能够控制鱼的肌肉何时抽搐。果然，除非鱼抽搐，否则电鳗永远不会在双脉冲后进行攻击。这项工作表明，电鳗实际上是在响应双脉冲产生的鱼类运动而进行攻击。

因此，电鳗有两种遥控模式，它们共同构成动物王国中最阴险的捕猎策略之一：它可以让隐藏的猎物通过移动而暴露出来，并且它可以冻结已经发现的移动猎物。

加倍下注

远程控制另一种动物已经很酷了，但这并不是电鳗唯一的绝招。这种生物还对其电力输出的一个基本问题提出了巧妙的解决方案。与可以瞄准闪电的超级英雄或巫师不同，每次电鳗发出高压脉冲时，电力都会分布在周围的水中。结果，只有一小部分电鳗的强大电力传递给了猎物。英国物理学家和化学家迈克尔·法拉第，他恰好在 1838 年与电鳗一起工作，为我们提供了一种方便的方式来可视化这个问题：电鳗的电场是一个所谓的偶极子，线条代表来自电鳗正极头的正电荷的作用力，并终止于负极尾部。线条的密度反映了任何给定点的电场强度；它在两极最强，并随着距离的增加而迅速减弱。在入门物理学中，您会了解到，将负极靠近正极会大大增强两者之间的电场强度。电鳗显然已经学习了物理学，因为它们对难以对付、挣扎的猎物使用了这一招。电鳗用颚牢牢抓住受害者，并在发出高压齐射之前将其尾巴（负极）缠绕在动物身上。

为了测量电鳗的策略效果，我设计了一个电鳗“磨牙玩具”——一对记录电极安装在一个死鱼内部的塑料支架上。电鳗抓住了该装置，我摇动连接电线以模拟挣扎。电鳗顺从地蜷缩起来并电击了电极。正如预期的那样，电场强度增加了一倍以上。这是一个很棒的策略，它允许电鳗将其原本固定的功率输出集中在目标上，就像将手电筒的固定功率聚焦到一个亮点一样。

发生在猎物身上的事情是可预测的，但却令人敬畏。随后的实验表明，电鳗增强的攻击会导致肌肉以异常高的速率收缩，在短短几秒钟内完全彻底地耗尽猎物的体力。这是神经毒素的电学模拟，使电鳗能够捕获和制服原本危险的动物，例如大型、带爪的小龙虾。

不仅仅是一种武器

在研究电鳗的捕猎行为期间，我注意到一些事情，让我怀疑电击可能不仅仅是一种武器。通常，当电鳗进行捕杀时，会发生三件事。首先，它们会发出全套高压脉冲，然后迅速攻击猎物并将其吸入口中。但在我的实验中，当死鱼在绝缘塑料袋中抽搐时，电鳗的攻击总是被中断。电鳗发出高压齐射并向鱼攻击，但没有击中目标，并且在没有最终的吸食式咬合的情况下中止了攻击。为什么？

我曾假设电鳗的攻击是弹道的，即一个预先计划好的事件，在没有感觉反馈的情况下发生。但现在我突然想到，这种动物可能会使用高压脉冲作为追踪系统。这将解释为什么它们忽略了用塑料绝缘的猎物。电鳗是从弱电鱼进化而来的，弱电鱼使用电力来探测周围环境，并且它们保留了用于感知的弱低压电力输出。为什么不也使用高压进行感知呢？我决定对这种可能性进行测试。

我利用了猎物的导电特性和电鳗的攻击性捕猎行为。水下动物往往比水更具导电性，因此电鳗对导体特别感兴趣，因为它们具有生物的“特征”。但请记住，电鳗可以并且确实使用其低压系统检测导体，该系统始终处于活动状态，直到捕食者在攻击期间切换到高压为止。为了专门测试高压电感受，我需要在慢动作下检查电鳗在攻击时的行为，此时低压系统关闭，只有高压系统处于活动状态。

第一个简单的实验是在水族箱中靠近抽搐鱼的拉链袋处添加一根由碳制成的棒，碳是一种惰性导体。再一次，当电鳗检测到来自抽搐的水流运动时，它进行了攻击，并向装有绝缘鱼的袋子攻击。但这一次，电鳗中途改变了方向，并试图用全力吸食式咬合吃掉碳棒。电鳗似乎将碳棒解释为鱼，正如人们所预期的那样，如果它使用高压脉冲来追踪猎物的话。

这是一个良好的开端，但我需要更多证据。我开发了使用碳棒和多个塑料棒的额外测试，以控制视觉。每次，电鳗在发出高压齐射的同时攻击碳导体。最终的测试是向电鳗展示一个快速旋转的圆盘，圆盘表面嵌入了一个小导体，以及一系列看起来相同的非导电控制物体。电鳗的表现令人难以置信：它们可以在高压齐射期间追踪和攻击导体，其速度和准确性是采用主动电感受的动物闻所未闻的。毫无疑问，它们同时使用高压作为武器和作为感觉系统的一部分来追踪猎物。我对电鳗的敬意与日俱增，这很幸运，因为它们的下一个绝招是针对我的。

令人震惊的防御

1800 年 3 月，普鲁士博物学家亚历山大·冯·洪堡雇佣了亚马逊地区的村民去收集一些电鳗用于实验。结果变成了一个史诗般的故事。他们决定用马钓电鳗。他们围捕了 30 匹野马和骡子，并将它们赶入一个充满电鳗的浅水池塘，电鳗从泥土中出来攻击马匹，反复电击它们。村民们大喊大叫，挥舞树枝，将受惊的马匹赶到池塘中，直到电鳗精疲力竭，可以安全地收集起来。两匹马在混乱中死亡；其他马跌跌撞撞地从池塘里出来，倒在岸边。洪堡在 1807 年发表了对这一景象的描述，这个故事帮助他声名鹊起。但一些后来的学者对洪堡的说法表示怀疑。为什么电鳗会主动攻击它们无法吃掉的大型动物，并在此过程中冒着受伤的风险？在 200 多年里，没有进一步报告过此类行为，直到我选择了错误的网来捕捉实验室里的一条大型电鳗。

通常，电鳗不会跳出水族箱。但也有例外：如果你用一个伸出水面的大型导体接近角落里的电鳗，它通常会以爆炸性的攻击做出反应。当我试图用一个带有金属边缘和把手的网将一条大型电鳗转移到一个新的水族箱时，我发现了这种令人震惊的行为。瞬间，电鳗转过身，从水中跃起，下颚紧贴金属把手，同时发出长长的高压脉冲（幸运的是，我戴着防护橡胶手套）。这是我测试过的所有电鳗都表现出的一种令人生畏的防御行为。

当我调查电鳗跳跃的电气后果以及洪堡探险的描述时，许多生物学和历史谜题的碎片都拼凑在一起了。如果电鳗将小型导体解释为可食用的猎物，那么接近的、部分浸没的大型导体将被解释为大型威胁动物，可能是掠食性猫科动物或鳄鱼。为什么不游走呢？在亚马逊的旱季，电鳗经常被困在小水池中，它们面临着被捕食的风险，这正是洪堡的电鳗所报告的情况。在这个场景中添加电鳗在水下无法“瞄准”其电力这一事实，您就有了进化出惊人防御策略的秘诀。

那么洪堡的戏剧性故事是真的吗？尽管他在他的著名描述中没有提供太多细节，但我还是找到了一张鲜为人知的事件插图，该插图出现在几十年后由英国探险家和洪堡的熟人罗伯特·肖姆伯克撰写的一本书中。中心人物是一匹马，它被一条跳出水面并将下颚压在马胸前的电鳗电击。它与我实验室中的跳跃电鳗的形象惊人地相似。就我而言，如果洪堡报告说在亚马逊发现了恐龙，我会想去核实一下。

建立嗡嗡声

有些事情很难向大学的采购部门解释，而断肢僵尸手臂就完全属于这一类。因此，我认为最好用自己的钱来购买假手臂，以便对电鳗进行另一组实验，目的是进一步阐明它们的跳跃行为。在擦洗掉手臂上的假血后，我在手臂上填充了策略性放置的发光二极管，以模拟神经束，并将它们展示给电鳗。将手臂靠近电鳗导致了令人信服的跳跃防御演示。当电鳗从水中升起并电击手臂时，灯光变得更亮。但这究竟是如何发生的，又为什么会发生？

要获得这些问题的答案，需要计算出所谓的等效电路，然后确定电鳗电器官的电压或电动势。我还需要计算电路中材料在多大程度上降低了通过它的电流，这种特性称为电阻。因此，我设计了实验来连续测量每个变量，首先从电鳗的电器官开始。在我实验室中最大的电鳗略微超过三英尺长，其电位为 382 伏，内阻仅为 450 欧姆，如果不存在其他电阻，则允许电流接近 1 安培。这真是惊人的电击，远大于泰瑟枪。

当电鳗从水中出来，将其下颚压在目标上时，电流从电鳗头部流向尾部的常用路径逐渐关闭（因为空气是不良导体），并被通过目标的路径取代。值得注意的是，它类似于音量控制旋钮，当电鳗从水中升起时，它会逐渐调高目标的音量。这种观察解释了这种行为是如何逐渐进化的，因为高度的每一次增加都提供了优势。但是电鳗在调高音量方面有多有效呢？

在计算细节时，我遇到了最基本的电路问题：计算包含并排排列的两个电阻的电路中的电流。这是电路难题（即物理考试）中最受欢迎的挑战，因为如果您不知道两个电阻的值，就无法计算电路中的电流。我通过测量电鳗攻击连接到电压表的金属板的数据，解决了其中一个电阻（从电鳗头部到水的路径）。另一个电阻是手臂，即电鳗的目标。在收集了所有其他变量的数据后，我只能猜测最后一个值：在电鳗的颚、生物目标和周围水域之间形成的复杂电阻。

在没有最终答案的情况下，很难停止研究电路。此外，就在我的第一篇记录电鳗跳跃攻击的论文于 2016 年发表时，互联网上发布了一段视频，显示一条非常大的电鳗跳到南美洲一位惊讶的渔民身上（他暂时丧失了行动能力，然后恢复了，类似于被泰瑟枪电击后的情况）。突然间，我出于好奇而研究的电路具有了现实世界的意义。

除了用我自己的手臂来确定最后一个变量并测试所有先前测量的预测之外，别无他法。我使用了一条电动势为 198 伏、内阻为 960 欧姆的非常小的电鳗。我制造了一个装置，用于测量电鳗攻击期间流过我手臂的电流，从而使我最终解决了电路问题。我还可以充满信心地报告，电鳗在调高其攻击音量方面非常有效。

我最初开始这个项目时，以为我会教授关于电鳗的知识，但最终，是电鳗教会了我。每次我研究一个新物种时，都会重新学到同样的教训：动物总是比我可能想象的要有趣得多，其方式是我在开始时永远无法预测的。一想到我们尚未发现的一切，我就兴奋得夜不能寐，这是一种美好的感觉。