Wie produzieren Zitteraale Strom?

Elektrische Fische produzieren mit Hilfe ihrer elektrischen Organe Strom. Diese elektrischen Organe haben modifizierte Muskelzellen, sogenannte Elektrozyten, die Strom produzieren.

Das 18. und 19. Jahrhundert waren elektrifizierte Zeiten! Luigi Galvani entdeckte die tierische Elektrizität, indem er einem Frosch einen Stromschlag versetzte, um zu sehen, ob seine Muskeln zucken würden (sie taten es). Alessandro Volta war damit beschäftigt, das herzustellen, was schließlich die moderne Batterie werden sollte. Alexander von Humboldt bezweifelte in all seiner polymathischen Pracht die Elektrizität insgesamt, sowohl die tierische als auch die metallische, während Michael Faraday enthüllte, wie Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen.

Der rote Faden, der sich durch die Arbeit dieser Herren zieht, ist der Zitteraal.

Im Laufe der Jahre hat der Zitteraal unzählige Pferde erschreckt, Wissenschaftler inspiriert und war Gegenstand von Kunst und Musik.

Wissenschaftler haben kürzlich herausgefunden, dass dieser im Amazonas lebende Fisch (sein Name ist eine Fehlbezeichnung, da er eigentlich eine Fischart ist – ein Messerfisch, um genau zu sein) eigentlich aus drei verschiedenen Fischarten besteht – dem Original Elektrophorus electricus und zwei Neuzugänge, E. Voltai, und E. varii. Also, wie produzieren diese Fische Spannung bis 860V?

Der Zitteraal ist einer der elektrisiertesten Fische, wenn es um den Schockwert geht. Die vor kurzem gefunden E. volta kann bis zu 860 V Strom erzeugen. Es lebt in den Flüssen des Amazonas und kann bis zu 8 Fuß lang werden. (Bildnachweis: R. Maximiliane/Shutterstock)

Arten von Aalen

Zitteraale sind nicht die einzigen Fische, die Strom erzeugen können. Es gibt eine Vielzahl von Fischen, die mit unterschiedlichen Kapazitäten Strom produzieren. Im Großen und Ganzen gibt es zwei Arten von elektrischen Fischen, schwach elektrische Fische und stark elektrische Fische. Schwach elektrische Fische wie der Peters-Elefantennasenfisch und der schwarze Geistermesserfisch erzeugen nicht genug Elektrizität, um irgendetwas zu schocken, aber sie dient als Sinnesorgan und hilft ihnen, mit ihrer Umgebung zu kommunizieren und zu interagieren.

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Stark elektrische Fische sind solche, die Stoßwellen erzeugen, die Schaden anrichten können. Der elektrische Aal, ein Messerfisch, der zu den Gymnotidae Familie, ist die beliebteste dieser Sorten. Der elektrische Wels, der elektrische Rochen und der elektrische Sterngucker sind einige andere starke Zinger. Diese Fische nutzen ihre elektrische Energie für eine Reihe von Zwecken, von der Kommunikation und Elektroortung bis hin zur Jagd oder Verteidigung.

Anatomie des Zitteraals – Das elektrische Organ

Elektrische Fische erzeugen ihren Strom durch ein spezialisiertes elektrisches Organ. Das elektrische Organ des Zitteraals zum Beispiel nimmt etwa 2/3 des Fischkörpers ein, der in drei verschiedene Teile unterteilt ist, von denen jeder eine andere Art von elektrischem Strom erzeugt.

Das Hauptorgan und das Hunter-Organ erzeugen die hochdosierten elektrischen Ströme, während das Sach-Organ für die niedrigen Spannungen verantwortlich ist. Der Zitterrochen hat zwei große elektrische Organe auf beiden Seiten seines Kopfes (einige könnten es in ihrem Schwanz haben), während der Peters-Elefantennasenfisch sein elektrisches Organ in der Nähe seines Schwanzes hat.

Der Zitterrochen hat sein elektrisches Organ auf beiden Seiten seines Kopfes. (Bildnachweis: Alexander Graetz/Wikimedia Commons)

Elektrozyten

Innerhalb des Organs befinden sich Zellen, die als Elektrozyten bezeichnet werden und in gestapelten Säulen angeordnet sind, wobei mehrere Säulen parallel zueinander mit flüssigkeitsgefüllten Zwischenräumen dazwischen angeordnet sind. Elektrozyten sind modifizierte Zellen entweder muskulären (in den meisten Fällen) oder neuralen Ursprungs. Diese Zellen erzeugen den elektrischen Schlag des Aals. Die Anzahl der Elektrozyten in einer Säule und die Anzahl der Säulen bestimmen, wie viel Strom der Fisch produzieren kann.

Wie erzeugen Zitteraale Strom?

Wie die Elektrozyten Strom produzieren, ist faszinierend und hochspezifisch. Elektrozyten haben zwei Seiten, eine hintere Seite, die von einem Motor innerviert wird Neuron und eine Vorderseite, die gewellt und leicht zerknittert ist. Seine Membran hat viele winzige Proteinkanäle, die selektiv Natrium (Na+) und Kaliumionen (K+) (jeweils unterschiedliche Kanäle), um in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu fließen.

Die Elektrozyten halten eine positive Außen- und eine (relativ) negative Innenumgebung aufrecht, indem sie Na auspumpen+ und k+ Ionen. Auf Anweisung des Nervensystems (vom Motoneuron zum Elektrozyten transportiert) erzeugen die Elektrozyten einen Dipol.

Eine schematische Darstellung, wie Elektrozyten in elektrischen Fischen einen elektrischen Strom erzeugen.

Das Signal des Motoneurons veranlasst die Ionenkanäle auf der Rückseite, Na zu pumpen+ und k+ in die Zelle, während die Vorderseite weiterhin die positiven Ionen aus der Zelle herauspumpt. Dadurch erhält die hintere Seite der Zelle eine relativ positive Ladung (auf der Innenseite der Zelle) und die vordere Seite eine negative Ladung (auf der Innenseite der Zelle). Voila, ein Dipol ist entstanden und der Fisch hat Strom.

Ein Elektrozyt allein kann nicht viel ausrichten, aber zusammen können sie einen Schlag versetzen. Wie die Elektrozyten gestapelt sind, wirkt sich auch auf die erzeugte Elektrizität aus (ob der Fisch höheren Strom gegenüber höherer Spannung priorisiert oder umgekehrt). Der Zitteraal zum Beispiel kann bis zu 6.000 Elektrozyten in einer Spalte haben. Der Zitterrochen (Torpedo-Spezies) hat viele kürzere Säulen mit 1.000 Elektrozyten pro Säule, da der Strahl die Erhöhung des Stroms über die Spannung priorisiert.

Wie lösen Zitteraale ihren Schock aus?

Elektrische Fische können entweder eine elektrische Organentladung (EOD) impulsartig oder wellenförmig (sinusförmig) abgeben. Darüber hinaus können sie entweder DC, Gleichstrom (monophasisch) oder AC, Wechselstrom (biphasisch) erzeugen.

Brachyhypopomus walteri, Ein schwach elektrischer Fisch mit einem langen, glitschigen Schwanz und gefleckten orangefarbenen Schuppen, erzeugt Wechselstromimpulse, die wie „Plopp“ klingen, wenn sie in Schall umgewandelt werden. Sein Verwandter B. bennetti erzeugt stattdessen Gleichstromimpulse.

Wellenproduzierende elektrische Fische sind schwach elektrische Fische, da die ständige Produktion von EODs Energie verbraucht. Die Amplitude ihrer EODs ist nicht so hoch wie bei einigen pulsierenden elektrischen Fischen, aber ihr Wellenmuster ermöglicht es ihren elektrischen Signalen, sich vor der Erkennung zu verbergen, da die meisten Raubfische Gleichstromimpulse wahrnehmen können (wie der räuberische Zitteraal und der Zitterwels). , im Gegensatz zu Wechselstrom.

Wofür nutzen die Fische ihre elektrische Energie?

Die meisten elektrischen Fische verwenden Elektrizität als sensorisches Werkzeug, ähnlich wie Sehen, Klein und Berühren. Für Süßwasserfische wie den Zitterwels und den Zitteraal, die in den trüben, dunklen Gewässern des Amazonas leben, ersetzt Elektrizität einen Sinn wie das Sehen. Die Fische senden ein elektrisches Feld aus (durch ihre EODs) und Rezeptoren auf ihren Membranen sammeln Informationen über ihre Umgebung. Diese Elektrorezeptoren (bemerkbar bei Zitteraalen und elektrischen Welsen als Gruben in ihrer Haut) fungieren wie Voltmeter, erfassen die Änderungen des elektrischen Felds, die durch ihre Umgebung verursacht werden, und bestimmen, ob etwas Abendessen sein kann. Dieses Video zeigt einen Messerfisch bei der Elektroporation.

Peters-Elefantennasenfisch (Gnathonemus petersii) ist ein schwach elektrischer Fisch, der sein elektrisches Organ als Sinnesorgan nutzt, um seine Umgebung „sehen“ zu können. Dies wird als Elektrolokalisierung bezeichnet. (Bildnachweis: boban_nz/Shutterstock)

Manchmal stoßen zwei elektrische Fische mit ähnlichen Entladungsfrequenzen aneinander, wodurch sich ihre elektrischen Felder überlagern. Um Interferenzen durch die beiden Signale zu vermeiden, haben sich elektrische Fische einen cleveren Mechanismus ausgedacht, der als Blockierungsvermeidungsmechanismus bezeichnet wird.

Der Blockiervermeidungsmechanismus besteht darin, dass die beiden Fische ihre Entladungsfrequenzen von ihren Nachbarn weg ändern. Sie sammeln Informationen basierend auf dem EOD des anderen Fisches und ändern dann seinen eigenen entsprechend. Neurowissenschaftler waren fasziniert davon, wie schnell elektrische Fische auf ihre Umgebung reagieren können, um ihr elektrisches Feld zu ändern.

Stark elektrische Fische hingegen jagen mit ihrem Schockwert.

Das neu entdeckte E. volta kann bis zu 860 V Strom erzeugen, genug, um kleine Beute zu zerfetzen und einem größeren Säugetier einen leichten, aber überraschenden Schock zu versetzen.

Besonders interessant ist die Jagdstrategie des Zitteraals.

Es sendet starke EOD-Impulse aus, um das Nervensystem seiner Beute zu verwirren. Nach der anfänglichen Salve von Impulsen kommt es mit einem stärkeren EOD zurück, um seine Beute zu ‚KO‘. Kenneth Catania, Forscher an der Vanderbilt University, gefunden dass elektrische Aale sich um ihre Beute wickeln, um sie vollständig zu lähmen. Diese Strategie ermöglicht es dem Aal, die Wirkung seines Schocks zu maximieren.

Der Kopf des Zitteraals ist positiv im Vergleich zu seinem Schwanz, der negativer ist. Der Fisch hat diese Dipolnatur aufgrund der Richtung des Flusses positiver Ladung durch sein elektrisches Organ. Es platziert seinen positiv geladenen Kopf an einem Ende seiner Beute und seinen negativ geladenen Schwanz am anderen Ende und sendet dann seine Schockwellen aus. Sobald die Arbeit erledigt ist, schluckt der Aal seine Beute im Ganzen!

Warum schocken sich die Fische nicht selbst?

Das elektrische Organ stark elektrischer Fische ist mit Fett- und Bindegewebe ausgepolstert. Wenn die Fische ihren Schock auslösen, isolieren diese Gewebe die Fische von ihrer eigenen Angriffstaktik. Es wurde auch festgestellt, dass elektrische Fische ähnliches ausdrücken Gene das könnte den Fischen etwas Isolierung bieten.

Auch die Größe spielt eine Rolle. Die meisten stark elektrischen Raubfische sind viel größer als ihre Beute. Einige elektrische Aale können Größen von bis zu 8 Fuß erreichen. Ihr Strom wird ihre kleinere Beute braten, würde aber ihren größeren Körpern nicht viel antun, ähnlich wie es einen erwachsenen Menschen nicht ernsthaft beeinträchtigen würde.

Der elektrische Sterngucker, ein stark elektrischer Fisch (Bildnachweis: Canvasman21 /Wikimedia Commons)

Davon abgesehen sind elektrische Fische nicht vollständig stoßfest. Viele haben bemerkt, dass elektrische Fische zucken, besonders wenn sie aus dem Wasser genommen werden. Dies kann der Fall sein, weil Luft die Ladung nicht so schnell aus dem Fisch ableiten kann wie Wasser (insbesondere salziges Meerwasser).

Wissenschaftler der Vergangenheit sind nicht die einzigen, die sich davon inspirieren lassen, wie die Natur es geschafft hat, Elektrizität zu nutzen. Ein Team von Forschern der Universität Fribourg und der University of Michigan haben erstellt eine weiche Batterie hergestellt aus einer gelartigen Substanz, die Elektrozyten als Inspiration verwendet. Das Team hofft, dass seine Arbeit bei bestimmten medizinischen Verfahren eingesetzt werden kann.

Elektrofische müssen Wissenschaftlern noch viel darüber beibringen, wie die Elektroortung funktioniert und wie sich diese funkelnden Fische überhaupt entwickelt haben. Es könnten noch schockierendere Forschungsenthüllungen kommen – stellen Sie nur sicher, dass Sie dabei nicht überfordert werden!

Vorgeschlagene Literatur