电鳗研究论文

电鳗研究论文

两百多年前，意大利物理学家伏特从电鳗身体结构得到启发，发明了最早的电池——伏打电池。如今，人类在研究出电鳗放电的原理后，又研发出了“软体电池”。这种“软体电池”又软又灵活，有可能应用于下一代的软体机器人和起搏器中。

这种新型“软体电池”由瑞士弗里堡大学和美国密歇根大学、加利福尼亚大学的研究团队共同研制。相关的研究论文已于12月13日在国际学术期刊《自然》（nature）上发表。

此前的科学研究已发现，电鳗可以通过发电器官来发电，其发电器官占到了其两米长身体的80%。电鳗尾部两侧的肌肉由规则排列着的6000-10000枚肌肉薄片组成，薄片之间有结缔组织相隔，并由许多神经直通中枢神经系统。其头部是正极，尾部是负极，每枚肌肉薄片像一个小电池，可产生约150毫伏的电压。但近万个“小电池”串联起来，放电时的电压可高达600-800伏，足以电死一个人，甚至一匹马。

弗里堡大学阿道夫•梅克尔研究所(AdolpheMerkleInstitute)的教授迈克尔·梅尔（MichaelMayer）团队模仿的就是电鳗的发电器官。其含有多种颜色的凝胶块，呈长条排列，很像电鳗的发电细胞。想打开电池，只需要一起按压这些凝胶。与传统电池不同，这种电池又软又灵活，有可能会应用于下一代的软体机器人。因材料更贴合人体，这种电池也有望用于制造下一代的起搏器等。

为了研制这种不同寻常的电池，该研究团队成员托马斯·施罗德（der）和AnirvanGuha开始大量阅读有关电鳗的放电原理。这些细胞以长条状堆叠，细胞间填充着液体。就好比是涂抹了蜂蜜或糖浆的薄饼，再将其放倒。

当电鳗处于休息状态时，每个发电细胞都会把阳离子从背面和正面转运出去，产生两个相反的电流，进而互相抵消。但电鳗需要电的时候，发电细胞的背面就会翻过来，向相反的方向转运相互阳离子，就会产生电压。关键的是，每个发电细胞都同时完成这个操作时，加起来的电压是十分高的。这就好比是电鳗的尾巴里有几千个小电池，其中有一半的方向是相反的，但它们可以翻转使其全部一致，产生电压。“这种专业程度简直是太神奇了，”施罗德说。

所以，施罗德和其同事首先想到的就是在实验室里重塑类似的发电器官，但他们很快意识到这太复杂了。随后，他们想到可以制造大量的细胞膜来模仿发电细胞堆，但是这些材料无法大量操作，因为如果一个破了，整个系统就会关闭。施罗德说：“这样会遇到圣诞灯串的问题，即一个灯泡坏了，一串灯泡都不亮了。”

最后，他和Guha选了更简单的一个装置，这就涉及到在两片单独的板上排列放置凝胶块。请看下图中的底板，红色凝胶含有盐水，蓝色的含有淡水，离子可以从红色凝胶流到蓝色凝胶，但是由于凝胶是分散的，所以离子并不能流动。当另一块板材上的绿色和黄色凝胶桥连上红蓝凝胶之间的缝隙时，就为离子提供了可以通过的通道。

值得注意的是，这里有个设计巧妙的地方：绿色凝胶块只允许阳离子通过，黄色的只允许阴离子通过。也就是说阳离子只能从一边流入蓝色凝胶，阴离子则从另一边流入，蓝色凝胶周围就会产生电压，就像发电细胞一样，而且每个凝胶块会产生一个小电压，但是数以千计的凝胶块成行排列，最高可产生110伏的电压。

在电鳗神经元发出信号后，电鳗的发电细胞就会开始放电。在施罗德设计的凝胶中，触发器就简单很多，只要把凝胶压在一起就可以。

不过，承载凝胶的板材如果过大会很麻烦。但是密歇根大学的工程师MaxShtein提出了一个巧妙的解决方案——折纸。类似于卫星太阳能电池板可折叠一样，他用一种特殊的折叠方式将板材折叠来折叠，使正确的颜色的以正确的顺序接触。这样整个电池所占的空间就会小很多，大小只有隐形眼镜那么大，或许某天可以戴到身上。

但对现在来说，这种电池必须要具备充电功能。因为电池一旦激活，可供电几小时，之后整个凝胶中的离子会趋于平衡，电池也就没电了。这时需要把电池通上电，让凝胶回到高盐度和低盐度排列的状态。施罗德称，身体会持续地补充离子含量不同的液体。他想象或许有朝一日可以利用这些液体来制造电池。

美国范德堡大学的KenCatania花了很多年来研究电鳗的生物学原理。他表示：“我很惊讶电鳗能为科学界带来这么多贡献，这对基本的科学价值观来说，是一个很好的范例。”

电鳗是如何发电的

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“原来，电鳗是活的“发电机”。它尾部两侧的肌肉，是由有规则地排列着的6000—10000枚肌肉薄片组成，薄片之间有结缔组织相隔，并有许多神经直通中枢神经系统。每枚肌肉薄片像一个小电池，只能产生150毫伏的电压，但近万个“小电池”串联起来，就可以产生很高的电压。

电鳗尾部发出的电流，流向头部的感受器，因此在它身体周围形成一个弱电场。电鳗中枢神经系统中有专门的细胞来监视电感受器的活动，并能根据监视分析的结果指挥电鳗的行为，决定采取捕食行为或避让行为或其它行为。有人做过这么一个实验：在水池中放置两根垂直的导线，放入电鳗，并将水池放在黑暗的环境里，结果发现电鳗总在导线中间穿梭，一点儿也不会碰导线；当导线通电后，电鳗一下子就往后跑了。这说明电鳗是靠“电感”来判断周围环境的。”

中国有电鳗吗

没有。

全世界的电鳗主要生长于热带及温带地区水域，除了欧洲电鳗及美洲电鳗分布在大西洋外，其余均分布在印度洋及太平洋区域，南美洲亚马孙河和圭亚那河、奥里诺科河流域也有分布。

电鳗原产于海中，是一种降河性洄游鱼类，溯河到淡水内长大，电鳗在江河湖泊中生长、发育，往往昼伏夜出，喜欢流水、弱光、穴居，具有很强的溯水能力，潜逃能力很强。

输出电压可达860伏，新种电鳗堪称“最强发电机”

2019年09月，《自然-通讯》发表的一篇论文里描述了两种电鳗新种，其中一种名为Electrophorus voltai，它的输出电压可达860伏，远超此前已有的报道，所以它可谓是现存最强大的生物电“发电机”。

250年前，电鳗首次被描述。但是，在某种程度上因为它们的大小和特化的放电形态，人们一直假设电鳗只有一个单一物种，即Electrophorus electricus。它们广泛分布在大亚马逊地区。

论文作者及其同事检验了来自大亚马逊地区的107个电鳗样本，以确定它们是否为单一物种。根据线粒体与核DNA、形态、地理及生态分布，作者得出结论：电鳗存在三个常见种——icus、和。

他们的分析表示，这三种电鳗占据不同的区域，分别发现于圭亚那地盾、巴西地盾和亚马逊盆地。他们还发现可以输出860伏电压，远超之前电鳗有记录的650伏。

参考资料来源：百度百科-电鳗

参考资料来源：人民网-输出电压 可达860伏 新种电鳗堪称“最强发电机”

生物电现象的研究报告？

生理学家研究神经肌肉标本的动作电位已有了100多年的历史，而对生物电的研究可追溯到更早的时期。公元前300多年亚里士多德观察到电鳐在捕食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。直到18世纪电学的基本规律被发现后，人们才逐步认识到动物放电的性质。

1758年的一天，英国大科学家卡文迪许独自呆在书房里，他拿起一本书翻阅起来。偶然间，他看到关于古罗马时代科学文化的书中，记载了2000多年前风行一时的用大黑鱼治病的方法。书上说，大黑鱼触到病人的腿时，病人会有发麻的感觉。卡文迪许对这个奇怪的现象产生了农厚的兴趣。

在18世纪初期，随着电动机和电池的发明，人们已经知道了电。卡文迪许清楚，当接确人体时，就会产生发麻的感觉。这时，善于思考的他心里很快闪过一个念头：难道这大黑鱼身上带电?

解剖青蛙的实验室这个突如其来的想法让卡文迪许感到很兴奋，为了验证自己的设想.他设法弄到了这种大黑鱼，把它埋在潮湿的沙滩里。然后，他在这条鱼上面接上一个莱顿瓶，果然，莱顿瓶冒出了火花!就这样，卡文迪许第一个用科学的方法证明了生物电的存在。

无巧不成书。1786年，意大利科学家伽伐尼在解剖青蛙时发现：在钢刀碰到铜钩和肌肉时，在那一刹那，放在两块不同金属之间的青蛙腿弹了一下，并且有些颤动。这个偶然的现象引起了伽伐尼极大的兴趣，此后他对这一现象进行了详细的研究。伽伐尼联想起实验室里的蓄电瓶，在通上电以后，瓶里的金属片也发生同样的颤动。因此，他猜想，青蛙腿上的肌肉和神经里面一定也蕴藏有电能。他认为这种电是生物组织中产生的。1791年，伽伐尼正式把这种现象称为生物电现象。

1792年，伏打成功地重复了伽伐尼的实验，但他不赞成伽伐尼的解释。他认为伽伐尼实验中的电源不是神经肌肉组织，而是由两种金属组成的回路本身所产生的电流。伏打的异议，促使伽伐尼进行更加严密地实验。1794午，伽伐尼和他的侄子把一条蛙肌直接与相连的神经相接，引起了肌肉收缩，在这个实验中没有使用金属，它成了证实动物体内确实存在动物电的新证据，从而为一门全新的学科——生物电化学的建立奠定了基础。