Ηλεκτροφόρα Χέλια

Η Φυσική που κρύβεται πίσω από αυτά τα ενδιαφέροντα πλάσματα.

Το 1800 ο Γερμανός εξερευνητής και φυσιοδίφης Alexander von Humboldt, παρατήρησε τα άλματα των ηλεκτροφόρων χελιών σε ταξίδι του στον Αμαζόνιο. Ιθαγενείς της περιοχής, έγραψε ο Humboldt στην αναφορά του το 1807, οδήγησαν στο ποτάμι ένα κοπάδι άλογα, τα οποία τρόμαξαν τα ηλεκτροφόρα χέλια και τα προκάλεσαν να αμυνθούν. Τα χέλια έπεφταν πάνω στα άλογα προκαλώντας ηλεκτρικές εκκενώσεις, μέχρι που ο ηλεκτρισμός τους εξαντλήθηκε και οι ιθαγενείς μπορούσαν να τα ψαρέψουν χωρίς κίνδυνο. Δύο από τα άλογα πέθαναν σε λιγότερο από πέντε λεπτά.

Η ικανότητα ορισμένων ζώων να παράγουν ηλεκτρισμό αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φυσικά φαινόμενα στη βιολογία. Οι ηλεκτροφόροι οργανισμοί, όπως τα ηλεκτροφόρα χέλια (Electrophoruselectricus), έχουν εξελίξει εξειδικευμένα ηλεκτρικά όργανα, τα οποία χρησιμοποιούν τόσο για άμυνα όσο και για εντοπισμό λείας.

Το ηλεκτροφόρο χέλι, με την ταιριαστή επιστημονική ονομασία ηλεκτροφόρος ο ηλεκτρικός (Electrophorus electricus), ζει στο λασπώδη βυθό των ποταμών του Αμαζονίου και του Ορινόκο στη Νότιο Αμερική και μπορεί να φτάσει τα 2 μέτρα. Στην πραγματικότητα δεν είναι χέλι, αφού ανήκει στην διαφορετική ομάδα των μαχαιρόψαρων.

Τα Ηλεκτρικά Όργανα των Ηλεκτροφόρων Ψαριών

Τα ηλεκτροφόρα χέλια διαθέτουν τρία διακριτά ηλεκτρικά όργανα: το κύριο όργανο (mainorgan), το όργανο του Sachs και το όργανο του Hunter.

Αυτά τα όργανα παράγουν διαφορετικά είδη ηλεκτρικών εκκενώσεων (EOD – Electric Organ Discharge):

• Χαμηλής τάσης EOD: Χρησιμοποιείται για ηλεκτροεντοπισμό και επικοινωνία και προέρχεται από το όργανο του Sachs. (10-25 V)
• Μεσαίας τάσης EOD: Προέρχεται από το Όργανο του Hunter. Η λειτουργία της παραμένει αδιευκρίνιστη, αλλά πιθανώς συνδέεται με τη συντονισμένη μετάβαση από χαμηλή σε υψηλή τάση ή την εξισορρόπηση εσωτερικών φορτίων. (40-60 V)
• Υψηλής τάσης EOD: Φτάνει έως 860V και χρησιμοποιείται για θήρευση και άμυνα. Προέρχεται από το κύριο όργανο.

Η Φυσική της Παραγωγής Ηλεκτρισμού

Κάθε όργανο αποτελείται από ηλεκτροπλάκες (electrocytes), ειδικά κύτταρα (ηλεκτροκύτταρα) που λειτουργούν ως βιολογικές μπαταρίες. Όταν διεγερθούν από νευρικά σήματα, αυτά τα κύτταρα δημιουργούν διαφορά δυναμικού μέσω της ασύμμετρης κατανομής ιόντων Na⁺, K⁺ και Cl⁻ στις κυτταρικές μεμβράνες. Η συλλογική δράση χιλιάδων ηλεκτροπλακών οδηγεί σε συνολική τάση που μπορεί να φτάσει μερικές εκατοντάδες Volt.

Η δημιουργία διαφοράς δυναμικού στις δύο πλευρές των ηλεκτροκυττάρων ακολουθεί τις ίδιες βασικές αρχές που διέπουν τη διέγερση των νευρώνων. Στη φάση ηρεμίας, η εσωτερική πλευρά κάθε κυττάρου έχει αρνητικό δυναμικό σε σχέση με το εξωτερικό. Κατά τη διέγερση, οι πύλες ιόντων νατρίου ανοίγουν, επιτρέποντας τα θετικά ιόντα νατρίου να εισέλθουν στα ηλεκτροκύτταρα, αναστρέφοντας το δυναμικό. Αυτή η αναστροφή δημιουργεί διαφορά δυναμικού (ΔV) που, όταν συμβαίνει συγχρονισμένα σε πολλά ηλεκτροκύτταρα, παράγει μια ισχυρή ηλεκτρική εκκένωση.

Ο Μηχανισμός Εκφόρτισης

Τα ηλεκτροκύτταρα των χελιών είναι οργανωμένα σε σειρές, και κάθε μία από αυτές λειτουργεί ως στοιχείο σε μια σύνδεση κατά σειρά, επιτρέποντας τη σωρευτική αύξηση της τάσης. Κατά την εκφόρτιση, η μία πλευρά των ηλεκτροκυττάρων διεγείρεται μέσω νευρικών σημάτων, ενώ η άλλη παραμένει ανέπαφη. Αυτό δημιουργεί μια ισχυρή διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων του σώματος του χελιού, επιτρέποντας την παραγωγή μιας εκκένωσης ικανής να παραλύσει το θήραμα ή να αποτρέψει έναν θηρευτή.

Μέτρηση τάσης κατά την αμυντική άλση του χελιού

Α] Σχηματική απεικόνιση της διάταξης των πλακών και του βολτομέτρου που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του ηλεκτρικού δυναμικού καθώς τα χέλια ανέβαιναν στον αγωγό. Η μαύρη γραμμή υποδεικνύει έναν μη αγώγιμο διαχωριστή μεταξύ των πλακών.
Β] Καρέ από βίντεο υψηλής ταχύτητας που καταγράφει ένα άλμα με ηλεκτροσόκ
C] Μετρούμενη τάση καθώς το χέλι ανέβαινε. Οι αριθμοί 1–3 αντιστοιχούν στις πλάκες που φαίνονται στο Β], δείχνοντας τη θέση του χελιού κατά την εκφόρτιση.

Δ] Το προτεινόμενο ισοδύναμο κύκλωμα που διαμορφώνεται καθώς το χέλι αναδύεται από το νερό. Η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) των ηλεκτροκυττάρων παριστάνεται με +. Οι αντιστάσεις περιλαμβάνουν την αντίσταση του νερού, την εσωτερική αντίσταση του χελιού (r) και την μεταβλητή αντίσταση (R), η οποία αντιπροσωπεύει τη διαδρομή του ρεύματος πάνω ή μέσω του χελιού πίσω στο κύριο σώμα νερού. Αυτή η διαδρομή γίνεται ισχυρότερη καθώς το χέλι ανέρχεται σε μεγαλύτερο ύψος.

Χρήσεις των Ηλεκτρικών Εκκενώσεων

• Θήρευση: Τα χέλια προκαλούν ακούσιες μυϊκές συσπάσεις στη λεία τους, καθιστώντας τα πιο εύκολα στην κατάποση.
• Άμυνα: Παράγουν ισχυρές εκκενώσεις για να αποτρέψουν θηρευτές.
• Ηλεκτροεντοπισμός: Τα χέλια χρησιμοποιούν τις χαμηλής τάσης εκκενώσεις για να ανιχνεύουν αγώγιμα αντικείμενα και να προσανατολίζονται στο περιβάλλον τους.

Βιβλιογραφικές Αναφορές:

1. Keynes, R. D., & Martins-Ferreira, H. (1953). Membrane potentials in the electroplates of the electric eel. J. Physiol.

2. Catania, K. C. (2015). Electric eels use high-voltage to track fast-moving prey. Nat. Commun.

3. Xu, J., Cui, X., & Zhang, H. (2021). The third form electric organ discharge of electric eels. Sci. Rep.

4. Catania, K. C. (2019). The Astonishing Behavior of Electric Eels. Frontiers in Integrative Neuroscience, 13, 23.

5. Βαγγέλης Πρατικάκης. (2016). Το ηλεκτρικό πεδίο ενός (ηλεκτροφόρου) χελιού. physicsgg.

6. Electrophorus (Fish Genus). Encyclopedia Britannica.

7. Electric Eels: US Scientist Accidentally Proves Terrifying 200-Year-Old Theory About Electric Eels. The Independent. (2016)