电鳗

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TUhjnbcbe - 2020/11/17 1:28:00

岛岛,工科生表示复习不完了~

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嗯,我知道了,我可以怎么帮助你呢?

岛岛,理科生表示预习不完了~

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02

嗯嗯,知道了,岛岛可以怎么帮助你呢?

岛岛,你降一道雷把我劈死吧~

岛岛,你降一道雷把我劈死吧~

好!

被雷劈之后,会发生什么呢?

变成下面这位?

根据《魔禁》小说原著,御坂美琴的超能力原理是这样的:

改造大脑结构,使意识对现实出现误判,通过观测者效应,使得可能性向能力方向坍缩,然后通过混沌理论将微观的能力扩大范围影响宏观。

别做梦了,在这段话中,没有一个字能在现实生活中成立。

为啥呢?大自然都创造了电鳗,为啥不能让人类拥有放电能力呢?

对!这就到了本期主题——为啥电鳗能放电,人类却不能?

自然界能放电的生物有很多,但它们的放电原理都大同小异,为表简洁,本期仅以电鳗作为研究对象。

一、电鳗的特点

电鳗是一种纯淡水鱼类,最长能够长到2.5米、20kg,天敌名单上几乎只有人类。由于长期生活在浑浊、缓流的水域,其眼睛早已退化,主要依靠自身产生的微弱电场来感知环境。

为了产生电流,电鳗的大部分器官都集中在了头部,其余部分都是用于放电的。

(!震惊,岛岛也希望自己从脖子以下全是腿)

二、人体如何形成电流

我们在高中曾经学过,神经细胞产生电流。具体而言,神经细胞膜上存在钠钾泵,通过消耗ATP,能将三个钠离子(Na+)泵出细胞,同时将两个钾离子(K+)泵出细胞。从总量来看,相当于将细胞内一个正电荷泵出细胞.

因此细胞内外会形成内负外正的状态,即“静息电位”。

形成电流时,膜上的钠离子通道蛋白开启,被泵到膜外的过量钠离子涌入细胞,就形成了电信号。

钠离子通道被使用之后,会进入一段名为“绝对不应期”的时间段。在该时间段内,通道无法再次产生新的电流,因此之前形成的电流只能分别朝两边传递。当两股电流在细胞另一端汇合时,由于两侧的钠离子通道均无法使用,电流就直接抵消了。

同为细胞生物,为什么电鳗就能放电而人类就不能呢?

三、电鳗如何形成电流

在电鳗细胞的一侧,同样具有钠离子通道,放电之前也同样拥有内负外正的静息电位。当电流形成时,钠离子通过本侧的通道进入细胞。然而,问题就出在这里:电鳗细胞只有一侧有钠离子通道,另一侧没有。

因此,细胞前后膜在放电后是一正一负的电性,精确而言,会产生50~毫伏的电压。

更神奇的是,鳗鱼身体里的这种细胞是紧挨着的,即“串联”。虽然一个细胞产生的电流很小,但所有细胞的电流总和却非常大。由于电鳗内部的细胞膜和脂肪具有较好的绝缘性,生活水域中的水导电性又比较强,因此电流只能从体外通过,于是就形成了我们所熟悉的体外电流。

串联的发电细胞

四、如何定量检测?

电鳗放电时的平均电压约V,最大甚至可以达到~V。而电流约1~2A。这种电压电流已经足够在0.2秒内致人于死地,更别说其他大型动物了。

被电到抽搐的鳄鱼

那么,这些电流电压大小是如何测量的呢?限于篇幅原因,此处仅介绍两种测量方法。

第一,精确测量。这种测量需要在实验室里完成。由于电鳗的发电器官是层状薄片,两个薄片之间有紧密相连,因此需要通过微电极来测量电极尖端的电位,然后通过变压器放大电压进行计算。

用于精确测量的仪器

第二,粗略测量。虽然这种方法精度不高,但这种方法在实际应用中却更实用。只需要将电鳗放在绝缘胶片上,用电压表连接它的头部和尾部即可。

测量现场

五、电鳗放电有何用

虽说电鳗放电能力很强,但其放电能力的直接应用场景却很少。因为电鳗电流短时间高强度的特点,根本无法用于电动汽车或者日用电器等长时间工作的设备。但这并不说明人类对电鳗的研究就一无是处。

早在年,科学家已经开始研发基于鳗鱼的放生机械。当时的美国海*曾着手研究一种“人造鳗鱼”。这种机械有一种特殊的信号发送器,该发射器由聚偏氟乙烯(简称PVDF)的压电性聚合物制成,能够在进行弯曲拐折运动时产生电流。由于发射器仅有两毫米厚,被放置于汹涌的激流中时极其容易产生颤动,从而为蓄电池充电,继而长期执行探索观测任务。

年,一篇发表在《Nature》上的论文介绍了一种柔性高强度电池。这种电池由一张张薄片构成,每张薄片上都有一个个按照特定顺序排列的小泡。

上图中:

红色小泡装有钠离子和氯离子,

蓝色小泡没有离子,

绿色小泡仅允许阳离子通过,

黄绿小泡仅允许阴离子通过。

当薄片被折叠时,小泡相互接触,阴阳离子的定向移动就产生了电流。

虽然一个小泡的电流很小,但所有小泡串联后就会产生很大的电流。这种结构就是从电鳗身上获得的灵感而被发明的。

参考资料:

[1].Retrieved11October,from

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