Szok i przerażenie. Wszystko, czego nie wiecie o strętwach

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Powszechnie wiadomo, że strętwy (zwane niepoprawnie węgorzami elektrycznymi) ogłuszają swoje ofiary – o takich przypadkach słyszymy od wieków. Co tak naprawdę dzieje się w trakcie ataku tych zwierząt? Do niedawna wiedza biologów na ten temat była zaskakująco mała. Nie zamierzałem badać tego zjawiska i nawet nie wyobrażałem sobie, że dla nauki narażę na atak strętwy swoją rękę, co w końcu uczyniłem. Jednak będąc profesorem biologii na Vanderbilt University, nauczam także o zwierzętach elektrycznych i kiedyś przyniosłem do pracowni kilka strętw w celu zrobienia im kilku zdjęć i zwolnionych filmów, aby ożywić wykłady. Zauważyłem wtedy coś tak dziwnego, że zdecydowałem się porzucić wszystkie inne zajęcia i to zbadać.

Kiedy strętwa porażała swoją zdobycz wysokim napięciem, wszystkie znajdujące się w pobliżu ryby w akwarium po trzech milisekundach kompletnie nieruchomiały – zupełnie jakby zamieniły się w malutkie posągi: po prostu unosiły się w wodzie. Na początku myślałem, że zostały zabite. Ale kiedy strętwa nie trafiła w cel i wyłączyła wysokie napięcie, ryby się „rozmrażały” i zaczynały jak najszybciej uciekać. Efekt unieruchomienia był przejściowy. W tym momencie byłem już uzależniony – musiałem zrozumieć, jaki jest mechanizm elektrycznego ataku strętwy.

Pierwsza, oczywista analogia, jaka przychodzi na myśl, to stosowany przez stróżów prawa taser, którego użycie powoduje obezwładnienie nerwowo-mięśniowe poprzez zakłócenie zdolności układu nerwowego do kontrolowania mięśni. Tasery to paralizatory, które poprzez przewody wysyłają krótkie impulsy wysokiego napięcia w tempie 19 pulsów na sekundę. Strętwy nie potrzebują przewodów, ponieważ woda przewodzi prąd (tak jak wtedy, gdy suszarka do włosów wpadnie do wanny). Pomijając tę różnicę, atak strętwy przypomina działanie tasera: są to krótkie impulsy, z których każdy trwa tylko około dwóch milisekund. W trakcie ataku strętwy mogą wysyłać ponad 400 impulsów na sekundę, czyli znacznie więcej niż urządzenia używane przez policjantów. Czy strętwy są ulepszonymi, pływającymi paralizatorami?

Zadając sobie to pytanie, rozpocząłem trzyletnie badania mechanizmu ataków strętwy i skutków, jakie wywierają one zarówno na ofiary, jak i na potencjalnych drapieżników. Na każdym etapie badań byłem zaskakiwany wyrafinowanym wykorzystaniem energii elektrycznej przez strętwę i uświadamiałem sobie, że ludzkie wynalazki nie mogą się równać z tworami natury.

Jak to działa

Być może zdziwi czytelnika fakt, że węgorze elektryczne nie są prawdziwymi węgorzami, ale należą do żyjącej w Ameryce Południowej rodziny ryb nazwanej Gymnotidae. Pozostali jej członkowie wytwarzają bardzo słabe wyładowania elektryczne, które służą im do poznawania otoczenia i komunikacji. Moc strętwy wzrosła w trakcie ewolucji. Dzięki narządowi rozciągającemu się niemalże wzdłuż całego jej ciała (zwierzęta te osiągają długość 2,5 m i masę 20 kg) może ona wytworzyć napięcie sięgające 600 V. Narząd ten składa się z tysięcy specjalnych komórek w kształcie dysku zwanych elektrocytami, które działają jak akumulatory.

Aby zbadać, czy rzeczywiście strętwa, aby obezwładnić swoją ofiarę, działa jak taser, musiałem obserwować zwierzę w chwili, kiedy poluje; zaprojektowałem więc eksperyment, w którym wykorzystałem nienasycony apetyt strętwy na dżdżownice. Najpierw umieściłem martwą rybę, której nerwy i mięśnie wciąż jednak działały, w wodzie obok strętwy (ale oddzieliłem ją elektrycznie przepuszczalną barierą) i podłączyłem do urządzenia do pomiaru skurczów mięśni. Następnie podałem strętwie dżdżownice, które ona radośnie obezwładniła i pożarła. Dzięki temu mogłem przeprowadzić serię testów sprawdzających, jak reagują mięśnie ryby na impulsy wysokiego napięcia wysyłane przez polującą strętwę.

Impulsy wytworzone przez strętwę wywołały u ryby masywne skurcze mięśni. Rozpoczęły się one trzy milisekundy od początku elektrycznego ataku, czyli dokładnie po takim samym czasie, po jakim ryby przestawały się poruszać na filmach. Najwyraźniej strętwy wymyśliły tasery na długo przed ludźmi. Ale eksperymenty pokazały znacznie więcej. Strętwy nie aktywują mięśni ryb bezpośrednio, ale celem ich ataków są nerwy prowadzące do mięśni ryb. Każdy impuls wysokiego napięcia wysłany przez strętwę wytwarza w nerwach motorycznych ryb potencjał czynnościowy, czyli impuls nerwowy.

Odkrycie to ma duże znaczenie, jeśli wziąć pod uwagę, że narząd elektryczny strętwy jest zmodyfikowanym mięśniem aktywowanym przez własne nerwy motoryczne zwierzęcia. Nerwy motoryczne są z kolei aktywowane przez neurony w mózgu. W przypadku każdego impulsu przepływ sygnałów sterujących rozpoczyna się w mózgu strętwy i przemieszcza się do jego neuronów motorycznych, które następnie aktywują narządy elektryczne. Następnie sygnał przechodzi przez wodę i aktywuje najpierw neurony ruchowe, a potem mięśnie znajdującej się obok ryby. Innymi słowy, strętwa unieruchamia swoją ofiarę za pomocą czegoś w rodzaju pilota zdalnego sterowania.

Co ciekawe, sugeruje to, że na pole elektryczne wytwarzane przez strętwę jakiś wpływ może mieć to, co dzieje się z mięśniami ofiary. Mając to na uwadze, zacząłem rozważać serie impulsów wysyłanych przez strętwę z nowego punktu widzenia. Szczególnie zaintrygowały mnie doniesienia Richarda Bauera, który w 1977 roku wykazał, że polujące strętwy często wysyłają pary impulsów wysokiego napięcia oddzielonych od siebie o dwie milisekundy. Te pary impulsów nazwano dubletami. Wszystkie strętwy w moim laboratorium wykazywały takie samo zachowanie. Zacząłem zastanawiać się, czym są dublety.

Po krótkim zagłębieniu się w fizjologię mięśni dowiedziałem się, że dublety (które można również nazwać parą potencjałów czynnościowych) wysyłane przez neurony ruchowe do mięśni są najlepszym sposobem uzyskania największego napięcia mięśni. Zgodnie z tą teorią moje eksperymenty pokazały, że dublety strętwy wywołują krótkie, silne drgania całego ciała pobliskiej ofiary, w przeciwieństwie do serii impulsów, których skutkiem jest trwały paraliż. Z kolei skurcz prowadzi do silnych ruchów wody – rozchodzenia się w wodzie fal dźwiękowych. Jeśli wziąć pod uwagę wyjątkową wrażliwość strętwy na najmniejszy ruch wody, przychodzi na myśl interesująca możliwość. Czy dublety mogą być sposobem, w jaki strętwa pyta ofiarę: „Czy żyjesz?” Bądź co bądź dzikie strętwy polują w nocy w Amazonii pośród różnorodnych ukrywających się ofiar, które o wiele trudniej znaleźć niż dżdżownice i złote rybki wpuszczone do akwarium.

Za takim wyjaśnieniem przemawiał fakt, że kiedy strętwy z mojego laboratorium polowały na nową zdobycz, taką jak raki albo ofiary ukryte pośród roślin w akwarium, często emitowały dublety i atakowały dopiero wtedy, kiedy ofiara drgnęła, jak gdyby jej ruch był dla nich sygnałem. Były to przekonujące wnioski z obserwacji. Aby uzyskać więcej bezpośrednich dowodów, podłączyłem martwą rybę do elektrycznego stymulatora, który mógł być włączany albo przeze mnie, albo przez dublety wysyłane przez strętwę. Następnie umieściłem okablowaną rybę w plastikowej zasuwanej torebce, aby dublety strętwy nie miały na nią żadnego wpływu. Ta konfiguracja pozwoliła mi stwierdzić, kiedy mięśnie ryby drgały. I faktycznie, atak strętwy następował po dublecie tylko wtedy, kiedy ryba zadrżała. Z badań wynikało, że strętwy atakują po wyczuciu ruchu ryby wywołanym przez dublety.

A zatem strętwa posługuje się dwoma trybami zdalnego sterowania, które razem tworzą jedną z najbardziej podstępnych taktyk łowieckich w królestwie zwierząt: może zdemaskować ukrytą zdobycz, powodując jej poruszenie, a po jej odkryciu ją unieruchomić.

Podwojenie

Zdalne sterowanie innym zwierzęciem jest pomysłowe, ale to nie jedyna sztuczka strętwy. Ryba ta również sprytnie rozwiązała podstawowy problem z polem elektrycznym. W przeciwieństwie do superbohaterów lub czarodziejów, którzy mogą miotać błyskawice, za każdym razem, gdy strętwa wysyła impuls wysokiego napięcia, energia elektryczna rozchodzi się w otaczającej ją wodzie. W rezultacie tylko niewielka część cudownej mocy strętwy dociera do jej ofiar. Angielski fizyk i chemik Michael Faraday, któremu zdarzyło się pracować ze strętwami w 1838 roku, przedstawił problem obrazowo: pole elektryczne strętwy to tak zwany dipol, a jego siłę działającą na ładunek dodatni pokazują linie wychodzące z dodatnio naładowanej głowy strętwy, a kończące się na jej ujemnym ogonie. Gęstość linii w danym punkcie odzwierciedla natężenie pola elektrycznego; jest ono najsilniejsze na biegunach i gwałtownie spada wraz z odległością. Ze wstępnego kursu fizyki wiadomo, że natężenie pola między biegunami silnie wzrasta, gdy zbliżymy je do siebie. Strętwy najwyraźniej uczyły się fizyki, ponieważ wykorzystują ten efekt w przypadku trudnych celów. Strętwa mocno przytrzymuje ofiarę szczękami i zagina wokół niej ogon (biegun ujemny), po czym wysyła serię impulsów wysokiego napięcia.

W celu zmierzenia tego efektu zaprojektowałem dla strętwy „zabawkę do żucia” – parę rejestrujących elektrod na plastikowym uchwycie umieszczonych w martwej rybie. Strętwy chwytały aparaturę, a ja poruszałem dołączonymi przewodami, aby symulować walkę. Strętwy wykonały zadanie, zwijając się i porażając elektrody. Jak się spodziewałem, natężenie pola wzrosło ponad dwukrotnie. Możliwość skoncentrowania mocy na celu jest znakomitą strategią – to tak, jakby skupić całe światło latarki w jednym punkcie.

To, co działo się z ofiarą, można było przewidzieć, a mimo to budziło grozę. Kolejne eksperymenty pokazały, że atak strętwy wywołuje skurcze mięśni zachodzące w nienormalnie szybkim tempie, całkowicie osłabiając ofiarę w ciągu zaledwie kilku sekund. Atak taki to elektryczny odpowiednik neurotoksyny, który umożliwia strętwie chwytanie i obezwładnianie innych niebezpiecznych zwierząt, takich jak duże raki.

Więcej niż broń

Badając zwyczaje łowieckie strętw, zauważyłem coś, co zmusiło mnie do zastanowienia, czy szok służy wyłącznie jako broń. Kiedy strętwy wybierają się na łowy, zwykle dzieją się trzy rzeczy. Najpierw wysyłają one serię impulsów wysokiego napięcia, następnie raptownie atakują ofiarę i umieszczają ją w pysku. Jednakże kiedy w moich doświadczeniach zmuszałem martwą rybę w izolowanej plastikowej torbie do drgawek, strętwa zawsze przerywała atak. Wysyłała salwę impulsów wysokiego napięcia i zbliżała się do ryby, ale jej nie chwytała. Dlaczego tak się działo?

Zakładałem, że atak strętwy miał charakter balistyczny – zaplanowane zdarzenie bez sensorycznej informacji zwrotnej. Ale teraz przyszło mi do głowy, że zwierzęta mogą wykorzystywać impulsy wysokiego napięcia jako system śledzenia. To wyjaśniałoby, dlaczego przeoczyły zdobycz umieszczoną w plastiku. Strętwy wyewoluowały z ryb wytwarzających niewielkie pole elektryczne, które wykorzystują energię elektryczną do badania swego otoczenia, zachowały więc możliwość wysyłania słabych sygnałów o niskim napięciu w celach rozpoznawczych. Dlaczego zatem nie miałyby stosować również wysokiego napięcia? Zdecydowałem się przetestować tę ewentualność.

Postanowiłem wykorzystać agresywne zwyczaje strętwy oraz fakt, że jej ofiary przewodzą prąd. Zwierzęta wodne zwykle są lepszymi przewodnikami niż woda. Strętwę szczególnie interesują przewodniki, ponieważ mogą być żywe. Należy jednak pamiętać, że strętwa wykrywa przewodniki za pomocą swojego systemu o niskim napięciu, który jest zawsze aktywny do momentu ataku, kiedy to drapieżnik przełącza się na wysokie napięcie. Aby dokładnie przetestować elektrorecepcję wysokonapięciową, musiałem zbadać w zwolnionym tempie zachowanie strętwy podczas ataków, gdy układ niskiego napięcia był wyłączony, a aktywny był tylko układ wysokiego napięcia.

Pierwszy prosty eksperyment polegał na umieszczeniu w akwarium obok znajdującej się w plastikowej torebce drgającej ryby nieruchomego pręta z przewodzącego węgla. Gdy strętwa wykryła ruch wody wywołany przez drgania, po raz kolejny skierowała atak w stronę odizolowanej ryby, ale tym razem w połowie drogi zmieniła kurs i próbowała połknąć pręt. Strętwa potraktowała chyba pręt jako rybę, czego można się było spodziewać, jeśli używała pulsów wysokiego napięcia do śledzenia ofiary.

Był to dobry początek, potrzebowałem jednak więcej dowodów. Przygotowałem dodatkowe testy z prętami węglowymi i licznymi prętami z tworzywa sztucznego służącymi do kontroli obserwacji. Za każdym razem strętwy atakowały węgiel, wysyłając serie impulsów wysokiego napięcia. Ostatecznym testem było sprezentowanie strętwom szybko wirującego dysku, do którego powierzchni przymocowano pojedynczy mały przewodzący krążek przewodnik wraz z szeregiem identycznie wyglądających nieprzewodzących krążków kontrolnych. Strętwy zachowywały się niesamowicie: wykrywały i atakowały przewodnik w trakcie serii impulsów wysokiego napięcia z szybkością i dokładnością niespotykaną u innych zwierząt stosujących elektrorecepcję. Nie było żadnej wątpliwości – strętwy wykorzystują wysokie napięcie zarówno jako broń, jak i część systemu sensorycznego służącego do śledzenia zdobyczy. Mój szacunek dla strętw z każdym dniem wzrastał, co było ważne, ponieważ to ja miałem być uczestnikiem kolejnego doświadczenia.

Niezwykła obrona

W Amazonii w marcu 1800 roku pruski przyrodnik Alexander von Humboldt wynajął wieśniaków do połowu strętw, które potrzebne mu były do eksperymentów. Chłopi postanowili łowić strętwy za pomocą koni. Otoczyli 30 dzikich koni i mułów i zmusili je do wejścia do płytkiego basenu pełnego strętw. Strętwy wynurzyły się z błota i zaatakowały konie, wielokrotnie je porażając. Chłopi krzyczeli i machali gałęziami, aby konie nie uciekły ze stawu, aż do momentu, gdy można było bezpiecznie zebrać strętwy. W tym chaosie dwa konie zdechły, a inne z trudem wydostały się na brzeg i upadły. Humboldt opisał to wydarzenie w 1807 roku, a cała ta historia go rozsławiła. Niektórzy późniejsi badacze podchodzili jednak do opowieści Humboldta ze sceptycyzmem. Dlaczego strętwy miałyby atakować duże zwierzęta, których nie mogłyby zjeść, ryzykując powstanie obrażeń? Przez ponad 200 lat nie odnotowano podobnych przypadków – aż do momentu, w którym do schwytania dużej strętwy wybrałem złą siatkę.

Z reguły strętwy nie wyskakują z akwarium. Jest jednak pewien wyjątek: jeśli zbliżysz się do osaczonej strętwy z wystającym z wody dużym przewodnikiem, jej reakcją może być gwałtowny atak. Takie szokujące zachowanie zwierzęcia odkryłem, gdy próbowałem przenieść dużą strętwę do nowego akwarium za pomocą siatki z metalową obręczą i uchwytem. Strętwa momentalnie się odwróciła i wyskoczyła z wody, przyciskając żuchwę do metalowego uchwytu i wysyłając długą serię impulsów wysokiego napięcia (na szczęście miałem na sobie gumową rękawicę). Takie odstręczające zachowanie obronne wykazywały wszystkie strętwy, które testowałem.

Po zbadaniu konsekwencji skoków strętwy i relacji z przygód Humboldta, wiele biologicznych i historycznych fragmentów układanki zaczęło do siebie pasować. Jeśli strętwy interpretują małe przewodniki elektryczne jako cel konsumpcji, to mogą potraktować częściowo zanurzony duży przewodnik jako duże, grożące im zwierzę – być może jako drapieżnego kota lub krokodyla. Dlaczego więc nie odpływają? W porze suchej w Amazonii strętwy są często uwięzione w małych stawach, w których zagrażają im drapieżniki – dokładnie tak, jak w sytuacji opisanej przez Humboldta. Dodajmy do tego scenariusza fakt, że kiedy strętwy są zanurzone, nie mogą „wycelować” swojej energii elektrycznej – i tak dostajemy przepis, jak wyewoluowała ta zadziwiająca strategia obronna.

Czy zatem dramatyczna historia Humboldta jest prawdziwa? Chociaż w swym sławnym opisie nie podaje on zbyt wielu szczegółów, udało mi się znaleźć mało znaną ilustrację tego zdarzenia, zamówioną przez jego przyjaciela, brytyjskiego odkrywcę Roberta Schomburgka. Centralną postacią jest koń poddany szokowi przez strętwę, która wyskoczyła z wody i przywarła żuchwą do klatki piersiowej konia. Jest to wierna kopia zachowania strętw z mojego laboratorium. Jeśli o mnie chodzi, gdyby Humboldt ogłosił, że odkrył w Amazonii dinozaury, na pewno postarałbym się to sprawdzić.

Podkręcanie

Niektóre rzeczy trudno wytłumaczyć uniwersyteckim działom zaopatrzenia. Do tej kategorii należą odcięte ręce zombie. Kiedy więc potrzebowałem fałszywych rąk do przeprowadzenia kolejnego zestawu eksperymentów, mającego wyjaśnić skoki strętw, doszedłem do wniosku, że najlepiej będzie wyłożyć własne pieniądze. Po usunięciu fałszywej krwi z rąk rozmieściłem w nich diody świetlne w taki sposób, aby naśladowały rozkład nerwów, po czym zaprezentowałem je strętwom. Skutkiem zbliżenia ręki do strętwy była fascynująca demonstracja obrony z wyskoku. Gdy strętwa wynurzyła się z wody i poraziła impulsem elektrycznym rękę, światła rozbłysły silniej. Ale jak i dlaczego tak się stało?

Aby uzyskać odpowiedzi na te pytania, należało rozpracować tak zwany obwód równoważny, a następnie wyznaczyć napięcie, czyli siłę elektromotoryczną, narządów elektrycznych strętwy. Musiałem także obliczyć, jaki jest opór elektryczny materiału, z którego zbudowany jest obwód. W tym celu zaprojektowałem eksperymenty, dzięki którym mogłem po kolei mierzyć każdą zmienną, poczynając od elektrycznego narządu strętwy. Największa strętwa z mojego laboratorium, mierząca nieco ponad 90 cm długości, wytwarzała napięcie 382 V, a jej opór wynosił tylko 450 W, co powodowało, że jeśli nie występowały żadne inne opory, natężenie prądu było bliskie jednemu amperowi. Jest to całkiem sporo – znacznie więcej niż w przypadku tasera.

Kiedy strętwa wyskakuje z wody i dociska żuchwę do swojego celu, stopniowo zmniejsza się natężenie prądu płynącego zwykłą drogą od głowy do ogona – ponieważ powietrze jest złym przewodnikiem elektryczności. Zamiast tego prąd przepływa teraz przez cel. Co ciekawe, nowy obwód przypomina potencjometr do regulacji głośności: strętwa, gdy unosi się ponad wodę, stopniowo „zwiększa głośność” w swoim celu. Ta obserwacja wyjaśnia, jak to zachowanie mogło stopniowo ewoluować, ponieważ każde zwiększenie wysokości prowadzi do większej przewagi. Ale jak efektywnie strętwa „zwiększa głośność”?

Rozpracowywanie szczegółów wymagało rozwiązania podstawowego zadania związanego z obwodami elektrycznymi: obliczenia natężenia prądu w obwodzie zawierającym dwa oporniki umieszczone równolegle. Jest to ulubione zadanie na egzaminach z fizyki, ponieważ nie można obliczyć natężenia prądu, nie znając wartości oporu obu oporników. Udało mi się wyznaczyć jeden opór – na drodze od głowy strętwy do wody – dokonując pomiarów na strętwach atakujących metalowe płytki podłączone do woltomierza. Drugim oporem był cel strętwy – ręka. Zebrawszy dane dla wszystkich innych zmiennych, tę ostatnią wartość – całkowity opór, jaki występował między żuchwą strętwy, żywym celem i otaczającą je wodą – mogłem tylko zgadywać.

Trudno mi było przestać pracować nad obwodem, nie uzyskawszy ostatecznych odpowiedzi. Co więcej, niedługo po tym, kiedy w 2016 roku opublikowano mój pierwszy artykuł dokumentujący atak skaczącej strętwy, w Internecie zamieszczono film pokazujący bardzo dużą strętwę wyskakującą na zaskoczonego rybaka z Ameryki Południowej (został on na jakiś czas unieruchomiony, ale następnie odzyskał siły – zupełnie jak w przypadku porażenia paralizatorem). Okazało się, że obwód elektryczny, który studiowałem z ciekawości, nie był wyłącznie konstruktem teoretycznym. Nie miałem innego wyjścia i musiałem użyć własnej ręki, aby wyznaczyć wartość ostatniej zmiennej i porównać z prognozami uzyskanymi na podstawie wszystkich poprzednich pomiarów. W tym celu wykorzystałem bardzo małą strętwę o sile elektromotorycznej 198 V i oporze wewnętrznym 960 W. Skonstruowałem urządzenie, które mierzyło natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez moją rękę w trakcie ataku strętwy, dzięki czemu ostatecznie rozwiązałem zadanie. Z doświadczenia mogę powiedzieć, że strętwy bardzo skutecznie wzmacniają siłę swojego ataku.

Kiedy zaczynałem pracować nad projektem, chciałem nauczać studentów o zachowaniu strętw, ale w końcu okazało się, że to strętwy czegoś mnie nauczyły. Była to ta sama lekcja, którą dostaję za każdym razem, gdy badam nowy gatunek: zwierzęta są zawsze o wiele bardziej interesujące, niż można sobie wyobrazić, i to w sposób, którego nie daje się przewidzieć. Często długo w nocy zastanawiam się, co jeszcze kiedyś odkryjemy.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.