Węgorz elektryczny to jedna z najniezwyklejszych ryb. Potrafi generować setki woltów

Spis treści:

1. Nieporozumienie zakorzenione w potocznej nazwie
2. Mieszkaniec Ameryki Południowej
3. Niezwykła anatomia

Dla wczesnych fizyków węgorz elektryczny, czyli strętwa był ogromnym źródłem inspiracji. W tym miejscu należy wspomnieć, że to właśnie ta ryba zainspirowała Alessandra Voltę, twórcę pierwszej baterii. Dziś to niezwykłe zwierzę jest zaawansowanym organizmem modelowym do badań w dziedzinie ewolucji adaptacyjnej, neurofizjologii i złożonych zachowań zwierzęcych.

Nieporozumienie zakorzenione w potocznej nazwie

Na samym początku wypada wyjaśnić, że wbrew temu, co sugeruje potoczna nazwa, węgorz elektryczny z węgorzami nie ma nic wspólnego. Rodzaj Electrophorus obejmuje wysoce wyspecjalizowane gatunki z rzędu Gymnotiformes (strętwokształtne). Oznacza to, że bliżej mu do suma lub karpia niż do jakiegokolwiek przedstawiciela rzędu Anguilliformes.

Więcej niż jeden gatunek

Węgorz elektryczny, po raz pierwszy opisany w 1766 roku przez Karola Linneusza jako Gymnotus electricus, od samego początku stanowił zagadkę dla przyrodników. Zdolność tej niezwykłej ryby do generowania potężnych wyładowań elektrycznych przez długi czas była przedmiotem obserwacji i badań. Jednak to nie ta niezwykła cecha była największą tajemnicą węgorza elektrycznego. Okazało się bowiem, że przez ponad 200 lat badacze trwali w błędnym przekonaniu co do taksonomii tego gatunku.

Zagadka, która doczekała się rozwiązania dopiero w XXI wieku

Od czasów Linneusza, rodzaj Electrophorus był uważany za takson monotypowy, czyli zawierający tylko jeden gatunek – Electrophorus electricus. Przyjmowano, że ten pojedynczy gatunek ma niezwykle szeroki zasięg występowania, obejmujący rozległe obszary dorzeczy Amazonki i Orinoko w Ameryce Południowej. Z perspektywy biologii ewolucyjnej, tak ogromny zasięg geograficzny dla pojedynczej, słodkowodnej ryby, preferującej specyficzne, spokojne siedliska, stanowił anomalię.

Naturalne jest, że zwierzęta rozprzestrzeniające się na zróżnicowanych obszarach wykazują tendencję do dzielenia się na odrębne gatunki, zwłaszcza gdy poszczególne populacje tracą ze sobą kontakt. Tymczasem węgorz elektryczny stanowią istną taksonomiczna zagadkę, która przez lata intrygowała badaczy. Naukowcy byli przekonani, że pod płaszczem jednego gatunku może kryć się nieodkryta dotąd różnorodność.

Rewolucja w systematyce

W 2019 roku, międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem C. Davida de Santany opublikował na łamach czasopisma „Nature Communications” wyniki badań, które zrewolucjonizowały wiedzę o tych rybach. Naukowcy przeanalizowali DNA 107 okazów, zebranych z całego obszaru występowania rodzaju. Wyniki analiz genetycznych jednoznacznie wskazały na istnienie trzech odrębnych linii ewolucyjnych. W oparciu o te dane, badacze ponownie zbadali cechy morfologiczne i ekologiczne, znajdując subtelne, za to stałe różnice w budowie czaszki, płetw piersiowych i w obszarze preferencji siedliskowych, które korelowały z podziałem genetycznym.

W ten sposób, po 250 latach, mit jednego gatunku został obalony. Świat nauki poznał dwa nowe gatunki węgorza elektrycznego. Odkrycie to pozwoliło na znacznie dokładniejsze scharakteryzowanie każdego z nich.

Mieszkaniec Ameryki Południowej

Bez względu na gatunek, węgorze elektryczne występują w północnej części Ameryki Południowej. Ich głównym siedliskiem są dorzecza Amazonki i Orinoko. Niektóre wybierają muliste, wolno płynące rzeki, strumienie, bagna i potoki, czyli środowiska bogate w minerały i sole, które dobrze radzą sobie z przewodzeniem elektryczności. Inne lepiej czują się przejrzystych rzekach o wartkim prądzie.

Dystrybucja węgorzy elektrycznych:

• Electrophorus electricus – gatunek opisany pierwotnie przez Linneusza, obecnie jest postrzegany jako endemit o znacznie węższym zasięgu, niż wcześniej sądzono. Jego występowanie ogranicza się do wód Wyżyny Gujańskiej, charakteryzujących się dużą przejrzystością i stosunkowo szybkim prądem;
• Electrophorus varii – nazwany na cześć zmarłego ichtiologa Richarda P. Vari, który wniósł ogromny wkład w badania ryb Ameryki Południowej. Gatunek ten zasiedla nizinne, wolno płynące i mętne wody basenu Amazonki. Środowiska te, bogate w rozpuszczone minerały i osady, mają wyższą przewodność elektryczną;
• Electrophorus voltai – jego nazwa gatunkowa honoruje Alessandra Voltę, wynalazcę baterii elektrycznej. voltai zamieszkuje wyżynne rzeki Tarczy Brazylijskiej, w siedlisku o podobnych właściwościach do tego zajmowanego przez E. electricus – czyli w wodach czystych, o niskiej przewodności elektrycznej.

Różnice są drobne, ale widoczne

Na pierwszy rzut oka węgorz elektryczny przypomina węża lub prawdziwego węgorza. Ciało tej ryby jest wydłużone, cylindryczne w przekroju i całkowicie pozbawione łusek. Cechą charakterystyczną jest też brak płetw grzbietowych i brzusznych. Ryba napędza się przede wszystkim dzięki niezwykle długiej płetwie odbytowej, która biegnie niemal przez całą brzuszną stronę ciała, od gardła, aż po koniec ogona.

Występujące pomiędzy przedstawicielami poszczególnych gatunków różnice anatomiczne są raczej subtelne. Cechą charakterystyczną E. electricus jest głowa o zarysie w kształcie litery „U”. Ryby te osiągają do 2,5 m długości i masę do 20 kg. E. varii charakteryzuje się grubszą w porównaniu do pozostałych gatunków budową czaszki. Osiąga do 150 cm długości i do 20 kg masy ciała. Z kolei u E. voltai dolny zarys głowy jest owalny, a najszersza część znajduje się przed otworem skrzelowych. Przedstawiciele tego gatunku osiągają do około 170 cm długości.

Niezwykła anatomia

Wewnętrzna budowa węgorza elektrycznego stanowi wspaniały przykład specjalizacji w królestwie zwierząt. Aż 80% długości ciała tej ryby zajmuje ogon, który został niemal w całości przekształcony w narządy elektryczne. Wszystkie kluczowe dla życia organy wewnętrzne, jak żołądek, jelita, serce i gonady, są skompresowane w przednich 20% ciała, tuż za głową. Konsekwencją tak radykalnej reorganizacji jest niezwykle umiejscowienie otworu odbytowego, który znajduje się w okolicy gardła, w około jednej trzeciej długości ciała.

Kolejną niezwykłą cechą węgorza elektrycznego jest jego jama gębowa. Silnie unaczynioną organ działa jak prymitywne płuco. Nie bez powodu. Należy bowiem wspomnieć, że te niezwykłe ryby aż 80% tlenu pozyskują z powietrza atmosferycznego, regularnie wypływając na powierzchnię. Ta umiejętność gwarantuje im przetrwanie w często ubogich w tlen, stojących lub wolno płynących wodach, które zamieszkują.

Żywa bateria

Najniezwyklejszą umiejętnością węgorza elektrycznego jest jednak zdolność do generowania potężnych wyładowań elektrycznych. Jej źródłem są trzy pary wyspecjalizowanych narządów, które powstały z przekształcenia tkanki mięśniowej. Są to:

• narząd główny i narząd Huntera – te dwa duże narządy biegną wzdłuż większej części ciała i są odpowiedzialne za generowanie wyładowań o wysokim napięciu. To one stanowią „broń” używaną do polowania i obrony i to one odpowiadają za większość masy ciała zwierzęcia;
• narząd Sachsa – jest to mniejszy narząd, który wytwarza impulsy o niskim napięciu, rzędu 10 V. Te słabe wyładowania nie służą do ataku, lecz do dwóch innych, równie ważnych celów: elektrolokacji i komunikacji. Węgorz, będąc zwierzęciem nocnym i żyjącym w mętnej wodzie, gdzie wzrok jest mało przydatny, tworzy wokół siebie pole elektryczne. Każdy obiekt lub organizm w pobliżu, który ma inną przewodność elektryczną niż woda, wywołuje zaburzenia w jego obszarze. Specjalne receptory na skórze ryby wykrywają te anomalie, co pozwala jej „widzieć” otoczenie i precyzyjnie lokalizować ofiary w całkowitej ciemności.

Bioelektrogeneza, czyli sekret wytwarzania prądu

Jak wysokie napięcie wytwarza węgorz elektryczny? E. electricus generuje do 650 V, E. varii od 150 do 650, natomiast E. voltai do 860 V. Jak to możliwe?

Zdolność do generowania setek woltów jest wynikiem pracy milionów wyspecjalizowanych komórek, działających w oparciu o fundamentalne zasady biofizyki i neurofizjologii. Podstawową jednostką funkcjonalną narządów elektrycznych jest elektrocyt – duża, spłaszczona, wielojądrowa komórka, która ewolucyjnie wywodzi się z komórki mięśniowej. Mechanizm jej funkcjonowania jest analogiczny do działania komórki nerwowej.

W stanie spoczynku, dzięki działaniu pomp jonowych, w poprzek błony komórkowej utrzymywany jest gradient stężeń jonów sodu i potasu. Te pierwsze są aktywnie pompowane na zewnątrz komórki, a drugie do wewnątrz. Błona jest jednak bardziej przepuszczalna dla jonów potasu, które dyfundują na zewnątrz, pozostawiając wewnątrz komórki nadmiar ujemnych ładunków. W rezultacie wnętrze elektrocytu jest naładowane ujemnie w stosunku do otoczenia, co tworzy różnicę potencjałów rzędu 150 miliwoltów. Każdy elektrocyt działa więc jak miniaturowa bateria biologiczna.

Sumowanie napięć

Siła węgorza elektrycznego nie leży w mocy pojedynczej komórki, a w zasadzie sumowania napięć. Setki tysięcy elektrocytów są ułożone w długie kolumny, jeden za drugim, niczym ogniwa w baterii latarki. Wszystkie komórki w kolumnie są unerwione w taki sposób, aby ich pobudzenie nastąpiło w tym samym, precyzyjnie określonym momencie.

Proces wyładowania inicjowany jest przez sygnał nerwowy z mózgu. Impuls ten biegnie wzdłuż rdzenia kręgowego i dociera do zakończeń nerwowych na jednej, płaskiej powierzchni każdego elektrocytu. Pobudzenie nerwowe powoduje otwarcie bramkowanych napięciem kanałów jonowych dla jonów sodu, które gwałtownie napływają do wnętrza komórki, powodując lokalną depolaryzację i odwrócenie potencjału błonowego – wnętrze komórki staje się na chwilę dodatnie w stosunku do otoczenia.

Druga strona elektrocytu pozostaje w tym czasie niepobudzona i zachowuje swój ujemny potencjał wewnętrzny. W tym kluczowym momencie każdy elektrocyt przestaje być pasywną baterią i staje się aktywnym generatorem prądu, z wyraźnie zdefiniowanym biegunem dodatnim i ujemnym.