電鰻的驚人秘密

電鰻會擊暈獵物已不是什麼秘密，關於此類事件的記載可以追溯到幾個世紀前。但是，除非你在星艦企業號上從事安保工作，否則“擊暈”只是一個模糊的術語。當這些生物攻擊時，究竟發生了什麼？直到最近，生物學家對電鰻的超能力知之甚少。我原本沒有計劃研究這種現象，當然也從未想過我會為了科學而將手臂伸向電鰻，正如我最終所做的那樣。但作為範德堡大學的生物科學教授，我教授關於電魚的課程，當我把一些電鰻帶到我的實驗室，以便獲得新的照片和慢動作電影來活躍我的講座時，我看到了一些非常奇怪的事情，以至於我不得不放下其他一切去進行調查。

當一條電鰻用高壓攻擊一條獵物魚時，水箱中所有附近的魚在短短三毫秒內都完全靜止不動。就好像它們變成了小雕像一樣；它們只是靜止不動地漂浮在水中。起初，我懷疑它們只是被殺死了。但是，如果電鰻錯過了目標並關閉了高壓，魚就會“解凍”並全速逃離。電鰻的效果是暫時的。我被迷住了；我必須知道電鰻的電擊攻擊是如何運作的。

我最先想到的最明顯的類比是執法部門的泰瑟槍，它透過干擾神經系統控制肌肉的能力來引起神經肌肉功能喪失。泰瑟槍透過導線以每秒 19 次脈衝的速率傳遞短時高壓脈衝。電鰻不需要導線，因為水允許電流流動，就像吹風機掉進浴缸時發生的情況一樣。但除此之外，電鰻的輸出與泰瑟槍的輸出相似：它以短暫的脈衝形式出現，每個脈衝僅持續約兩毫秒。然而，在一次攻擊齊射中，電鰻每秒可以發出超過 400 個脈衝，這比執法裝置的速度快得多。電鰻會不會是動力更強的游泳泰瑟槍？

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帶著這個問題，我開始了為期三年的任務，以解開電鰻攻擊的機制及其電擊對獵物和潛在捕食者的影響。電鰻對電力的複雜運用讓我每一步都感到驚訝，並提醒我，人類的發明與大自然的發明相比，根本不值一提。

驚人的價值

您可能會驚訝地得知，電鰻並非真正的鰻魚，而是屬於南美洲裸背魚科的一種魚類。該科的其他成員會發出非常微弱的放電，它們利用這些放電來感知周圍環境和進行交流。電鰻在進化過程中增強了其電力。由於其電器官幾乎遍佈全身（這種動物可以長到八英尺長，重達 40 多磅），它可以產生高達 600 伏的電荷。該器官由數千個特殊的盤狀細胞組成，稱為電細胞，它們像電池一樣放電。

為了調查電鰻是否像泰瑟槍一樣運作以使獵物喪失能力的可能性，我需要觀察這種動物的捕獵模式。因此，我設計了一個實驗，利用了電鰻對蚯蚓貪得無厭的食慾。首先，我將一條仍然具有工作神經和肌肉的死魚放入水中（但用一個可導電的屏障隔開），並用繩子將其連線到一個測量肌肉收縮的裝置上。然後我餵給電鰻蚯蚓，它高興地電擊並吃掉了蚯蚓。這種設定使我能夠對魚肌肉對來自捕獵電鰻的高壓脈衝的反應進行一系列測試。

來自電鰻的高壓脈衝齊射在電擊攻擊開始後三毫秒引起了魚體內的大規模肌肉收縮，這與慢動作電影中魚停止移動之前經過的時間完全相同。顯然，電鰻在人類之前很久就發明了泰瑟槍。但實驗表明的遠不止這些。電鰻不會直接啟用魚的肌肉。相反，它們的電擊會啟用通向魚肌肉的神經。電鰻的每個高壓脈衝都會在魚的運動神經中產生一個動作電位，或神經衝動。

考慮到電鰻的電器官是由動物自身的運動神經啟用的改良肌肉，這一發現非常了不起。運動神經反過來又被大腦中的神經元啟用。對於每個高壓脈衝，指揮訊號的流動都從電鰻的大腦開始，並傳播到其運動神經元，然後啟用電器官。從那裡，訊號透過水傳播，觸發附近魚類中的運動神經元，然後是肌肉。換句話說，電鰻利用一種高保真遙控形式來使其獵物喪失行動能力。

有趣的是，這種見解表明，電鰻的電力輸出可能部分受到獵物肌肉變化的影響。考慮到這一發現，我開始以新的視角審視電鰻的高壓齊射。我尤其對之前一位研究員理查德·鮑爾在 1979 年的報告感到好奇，該報告顯示，捕獵電鰻通常會暫停發出成對的高壓脈衝，每個脈衝之間間隔兩毫秒。這些成對的脈衝稱為雙脈衝，我實驗室中的所有電鰻都表現出相同的行為。我想知道，雙脈衝是用來做什麼的？

對肌肉生理學的一點研究表明，從運動神經元傳送到肌肉的雙脈衝（也可以描述為成對的動作電位）是產生最大肌肉張力的最佳方式。因此，我的實驗表明，電鰻雙脈衝會導致附近獵物短暫、大規模的全身抽搐，這與導致持續麻痺的齊射形成對比。抽搐反過來又會產生強烈的排水量，本質上是一種水下聲音。考慮到電鰻對最輕微的水流動的敏銳度，一個有趣的可能浮現在腦海。雙脈衝會不會是電鰻詢問“你還活著嗎？”的方式？畢竟，野生電鰻在亞馬遜的夜晚捕獵，周圍環繞著各種各樣的隱藏獵物，這些獵物比掉進水箱的蠕蟲和金魚更難找到。

我的實驗室中的電鰻捕獵新的獵物，例如小龍蝦，或隱藏在水箱植物中的獵物時，它們經常在搜尋時發出雙脈衝，並在獵物抽搐後進行攻擊，就好像獵物的移動向它們發出了提示一樣。這些都是說明性的觀察結果，但為了提供更直接的證據，我將死魚連線到一個電刺激器上，該刺激器可以由我或電鰻的雙脈衝觸發。然後，我將有線魚放入一個拉鍊袋中，這樣電鰻自身的雙脈衝就不會對其產生影響。這種設定使我能夠控制魚的肌肉何時抽搐。果然，除非魚抽搐，否則電鰻永遠不會在雙脈衝後進行攻擊。這項工作表明，電鰻實際上是在響應雙脈衝產生的魚類運動而進行攻擊。

因此，電鰻有兩種遙控模式，它們共同構成動物王國中最陰險的捕獵策略之一：它可以讓隱藏的獵物透過移動而暴露出來，並且它可以凍結已經發現的移動獵物。

加倍下注

遠端控制另一種動物已經很酷了，但這並不是電鰻唯一的絕招。這種生物還對其電力輸出的一個基本問題提出了巧妙的解決方案。與可以瞄準閃電的超級英雄或巫師不同，每次電鰻發出高壓脈衝時，電力都會分佈在周圍的水中。結果，只有一小部分電鰻的強大電力傳遞給了獵物。英國物理學家和化學家邁克爾·法拉第，他恰好在 1838 年與電鰻一起工作，為我們提供了一種方便的方式來視覺化這個問題：電鰻的電場是一個所謂的偶極子，線條代表來自電鰻正極頭的正電荷的作用力，並終止於負極尾部。線條的密度反映了任何給定點的電場強度；它在兩極最強，並隨著距離的增加而迅速減弱。在入門物理學中，您會了解到，將負極靠近正極會大大增強兩者之間的電場強度。電鰻顯然已經學習了物理學，因為它們對難以對付、掙扎的獵物使用了這一招。電鰻用顎牢牢抓住受害者，並在發出高壓齊射之前將其尾巴（負極）纏繞在動物身上。

為了測量電鰻的策略效果，我設計了一個電鰻“磨牙玩具”——一對記錄電極安裝在一個死魚內部的塑膠支架上。電鰻抓住了該裝置，我搖動連線電線以模擬掙扎。電鰻順從地蜷縮起來並電擊了電極。正如預期的那樣，電場強度增加了一倍以上。這是一個很棒的策略，它允許電鰻將其原本固定的功率輸出集中在目標上，就像將手電筒的固定功率聚焦到一個亮點一樣。

發生在獵物身上的事情是可預測的，但卻令人敬畏。隨後的實驗表明，電鰻增強的攻擊會導致肌肉以異常高的速率收縮，在短短幾秒鐘內完全徹底地耗盡獵物的體力。這是神經毒素的電學模擬，使電鰻能夠捕獲和制服原本危險的動物，例如大型、帶爪的小龍蝦。

不僅僅是一種武器

在研究電鰻的捕獵行為期間，我注意到一些事情，讓我懷疑電擊可能不僅僅是一種武器。通常，當電鰻進行捕殺時，會發生三件事。首先，它們會發出全套高壓脈衝，然後迅速攻擊獵物並將其吸入口中。但在我的實驗中，當死魚在絕緣塑膠袋中抽搐時，電鰻的攻擊總是被中斷。電鰻發出高壓齊射並向魚攻擊，但沒有擊中目標，並且在沒有最終的吸食式咬合的情況下中止了攻擊。為什麼？

我曾假設電鰻的攻擊是彈道的，即一個預先計劃好的事件，在沒有感覺反饋的情況下發生。但現在我突然想到，這種動物可能會使用高壓脈衝作為追蹤系統。這將解釋為什麼它們忽略了用塑膠絕緣的獵物。電鰻是從弱電魚進化而來的，弱電魚使用電力來探測周圍環境，並且它們保留了用於感知的弱低壓電力輸出。為什麼不也使用高壓進行感知呢？我決定對這種可能性進行測試。

我利用了獵物的導電特性和電鰻的攻擊性捕獵行為。水下動物往往比水更具導電性，因此電鰻對導體特別感興趣，因為它們具有生物的“特徵”。但請記住，電鰻可以並且確實使用其低壓系統檢測導體，該系統始終處於活動狀態，直到捕食者在攻擊期間切換到高壓為止。為了專門測試高壓電感受，我需要在慢動作下檢查電鰻在攻擊時的行為，此時低壓系統關閉，只有高壓系統處於活動狀態。

第一個簡單的實驗是在水族箱中靠近抽搐魚的拉鍊袋處新增一根由碳製成的棒，碳是一種惰性導體。再一次，當電鰻檢測到來自抽搐的水流運動時，它進行了攻擊，並向裝有絕緣魚的袋子攻擊。但這一次，電鰻中途改變了方向，並試圖用全力吸食式咬合吃掉碳棒。電鰻似乎將碳棒解釋為魚，正如人們所預期的那樣，如果它使用高壓脈衝來追蹤獵物的話。

這是一個良好的開端，但我需要更多證據。我開發了使用碳棒和多個塑膠棒的額外測試，以控制視覺。每次，電鰻在發出高壓齊射的同時攻擊碳導體。最終的測試是向電鰻展示一個快速旋轉的圓盤，圓盤表面嵌入了一個小導體，以及一系列看起來相同的非導電控制物體。電鰻的表現令人難以置信：它們可以在高壓齊射期間追蹤和攻擊導體，其速度和準確性是採用主動電感受的動物聞所未聞的。毫無疑問，它們同時使用高壓作為武器和作為感覺系統的一部分來追蹤獵物。我對電鰻的敬意與日俱增，這很幸運，因為它們的下一個絕招是針對我的。

令人震驚的防禦

1800 年 3 月，普魯士博物學家亞歷山大·馮·洪堡僱傭了亞馬遜地區的村民去收集一些電鰻用於實驗。結果變成了一個史詩般的故事。他們決定用馬釣電鰻。他們圍捕了 30 匹野馬和騾子，並將它們趕入一個充滿電鰻的淺水池塘，電鰻從泥土中出來攻擊馬匹，反覆電擊它們。村民們大喊大叫，揮舞樹枝，將受驚的馬匹趕到池塘中，直到電鰻精疲力竭，可以安全地收集起來。兩匹馬在混亂中死亡；其他馬跌跌撞撞地從池塘裡出來，倒在岸邊。洪堡在 1807 年發表了對這一景象的描述，這個故事幫助他聲名鵲起。但一些後來的學者對洪堡的說法表示懷疑。為什麼電鰻會主動攻擊它們無法吃掉的大型動物，並在此過程中冒著受傷的風險？在 200 多年裡，沒有進一步報告過此類行為，直到我選擇了錯誤的網來捕捉實驗室裡的一條大型電鰻。

通常，電鰻不會跳出水族箱。但也有例外：如果你用一個伸出水面的大型導體接近角落裡的電鰻，它通常會以爆炸性的攻擊做出反應。當我試圖用一個帶有金屬邊緣和把手的網將一條大型電鰻轉移到一個新的水族箱時，我發現了這種令人震驚的行為。瞬間，電鰻轉過身，從水中躍起，下顎緊貼金屬把手，同時發出長長的高壓脈衝（幸運的是，我戴著防護橡膠手套）。這是我測試過的所有電鰻都表現出的一種令人生畏的防禦行為。

當我調查電鰻跳躍的電氣後果以及洪堡探險的描述時，許多生物學和歷史謎題的碎片都拼湊在一起了。如果電鰻將小型導體解釋為可食用的獵物，那麼接近的、部分浸沒的大型導體將被解釋為大型威脅動物，可能是掠食性貓科動物或鱷魚。為什麼不遊走呢？在亞馬遜的旱季，電鰻經常被困在小水池中，它們面臨著被捕食的風險，這正是洪堡的電鰻所報告的情況。在這個場景中新增電鰻在水下無法“瞄準”其電力這一事實，您就有了進化出驚人防禦策略的秘訣。

那麼洪堡的戲劇性故事是真的嗎？儘管他在他的著名描述中沒有提供太多細節，但我還是找到了一張鮮為人知的事件插圖，該插圖出現在幾十年後由英國探險家和洪堡的熟人羅伯特·肖姆伯克撰寫的一本書中。中心人物是一匹馬，它被一條跳出水面並將下顎壓在馬胸前的電鰻電擊。它與我實驗室中的跳躍電鰻的形象驚人地相似。就我而言，如果洪堡報告說在亞馬遜發現了恐龍，我會想去核實一下。

建立嗡嗡聲

有些事情很難向大學的採購部門解釋，而斷肢殭屍手臂就完全屬於這一類。因此，我認為最好用自己的錢來購買假手臂，以便對電鰻進行另一組實驗，目的是進一步闡明它們的跳躍行為。在擦洗掉手臂上的假血後，我在手臂上填充了策略性放置的發光二極體，以模擬神經束，並將它們展示給電鰻。將手臂靠近電鰻導致了令人信服的跳躍防禦演示。當電鰻從水中升起並電擊手臂時，燈光變得更亮。但這究竟是如何發生的，又為什麼會發生？

要獲得這些問題的答案，需要計算出所謂的等效電路，然後確定電鰻電器官的電壓或電動勢。我還需要計算電路中材料在多大程度上降低了透過它的電流，這種特性稱為電阻。因此，我設計了實驗來連續測量每個變數，首先從電鰻的電器官開始。在我實驗室中最大的電鰻略微超過三英尺長，其電位為 382 伏，內阻僅為 450 歐姆，如果不存在其他電阻，則允許電流接近 1 安培。這真是驚人的電擊，遠大於泰瑟槍。

當電鰻從水中出來，將其下顎壓在目標上時，電流從電鰻頭部流向尾部的常用路徑逐漸關閉（因為空氣是不良導體），並被透過目標的路徑取代。值得注意的是，它類似於音量控制旋鈕，當電鰻從水中升起時，它會逐漸調高目標的音量。這種觀察解釋了這種行為是如何逐漸進化的，因為高度的每一次增加都提供了優勢。但是電鰻在調高音量方面有多有效呢？

在計算細節時，我遇到了最基本的電路問題：計算包含並排排列的兩個電阻的電路中的電流。這是電路難題（即物理考試）中最受歡迎的挑戰，因為如果您不知道兩個電阻的值，就無法計算電路中的電流。我透過測量電鰻攻擊連線到電壓表的金屬板的資料，解決了其中一個電阻（從電鰻頭部到水的路徑）。另一個電阻是手臂，即電鰻的目標。在收集了所有其他變數的資料後，我只能猜測最後一個值：在電鰻的顎、生物目標和周圍水域之間形成的複雜電阻。

在沒有最終答案的情況下，很難停止研究電路。此外，就在我的第一篇記錄電鰻跳躍攻擊的論文於 2016 年發表時，網際網路上釋出了一段影片，顯示一條非常大的電鰻跳到南美洲一位驚訝的漁民身上（他暫時喪失了行動能力，然後恢復了，類似於被泰瑟槍電擊後的情況）。突然間，我出於好奇而研究的電路具有了現實世界的意義。

除了用我自己的手臂來確定最後一個變數並測試所有先前測量的預測之外，別無他法。我使用了一條電動勢為 198 伏、內阻為 960 歐姆的非常小的電鰻。我製造了一個裝置，用於測量電鰻攻擊期間流過我手臂的電流，從而使我最終解決了電路問題。我還可以充滿信心地報告，電鰻在調高其攻擊音量方面非常有效。

我最初開始這個專案時，以為我會教授關於電鰻的知識，但最終，是電鰻教會了我。每次我研究一個新物種時，都會重新學到同樣的教訓：動物總是比我可能想象的要有趣得多，其方式是我在開始時永遠無法預測的。一想到我們尚未發現的一切，我就興奮得夜不能寐，這是一種美好的感覺。