动物生物电：电能转换及利用

呼呼的大风，熊熊的烈火，急流和巨浪，阳光和核能，自然界在以各种各样的形式发电。可你是否还知道，生物也可以发电？

其实，人类早已惊奇地发现生物也有电。人们测量过许多生物，从原始的单细胞生物到高等动植物，它们都不同程度地带有电。动物体内在沿神经系统传递信息时会产生电流。植物在进行光合作用的时候同样也会产生电流。微生物在生命活动过程中产生化学能，而这种生物化学能可以直接转换成电能。

不过，生物电对这些生物有什么意义，目前人们还不十分了解。关于生物电，还有不少有待探索的谜。

动物发电机

远在人类发明电池和发电机之前几百万年，许多动物和植物已经能够自动产生电流。有些动物本身就是一台强有力的发电机，电鳗就是一例。

电鳗生长于南美奥里诺科河中。这条河在委内瑞拉境内，流入大西洋。南美的亚马逊河亦有电鳗的踪迹。曾有这样一个故事：西班牙殖民者在入侵南美的时候，迪希卡的部队沿亚马逊河而上，终于抵达尽头，前面只剩下亚马逊河的一条小支流和丛林了。部队一边伐倒茂密的丛林，一边前进，来到一块半干的沼泽地前。当地的脚夫印第安人一看到沼泽地就拒绝前进，不论是骂他们还是用鞭子打他们都没有用，他们恐怖地看着沼泽地说着什么，但他们的话，西班牙殖民者听不懂。

迪希卡命令一名士兵做个样子给印第安人看，于是这名士兵就往水里走，但是只走了几步，他就像被谁打倒了似的，大声惨叫着倒在沼泽里。有两名士兵前去救他，结果也受到同样的打击。好不容易从水中上来，三个士兵的脚都麻木了，经过几天之后，他们才能够继续前进。由于对不明真相的怪物感到害怕，迪希卡只好下令返回。

水中的怪物其实就是电鳗。南美产的电鳗是一种大型的鱼，它的外形很像蛇，体长2米以上，体重15～20千克，肉味极美。然而，当地的居民却知道怎样捕捉这种危险的鱼。他们为了捕捉电鳗，先把牛赶进水里，让牛先接受电的冲击。牛一触电就挣扎倒下身来，拼命地吼叫，几分钟过后才安静下来。牛回到岸上后人再下去捕捉电鳗。

电鳗就是用它的电来捕捉食物的，一般在晚上，它先用自身所发出的电击倒蛙和鱼虾等水中动物，然后吃掉。一条电鳗能杀死比自身重量重很多倍的猎物。

电鳗究竟是怎样产生强大的电流的呢？

其实，任何动物体内的神经和肌肉都带电，只是十分微弱罢了。而电鳗的身体，能产生电流的肌肉组织占全身的40%。在显微镜下就可以发现，在这种组织里集中着100万～200万个极其微小的“干电池”。也就是说，这部分组织的各个细胞与干电池具有同样的功能，这些细胞膜的外侧有阴离子，内侧有阳离子，在这样的“电池”细胞上，大约能产生0.1伏的电位差。同时，大自然还赋予电鳗一种提高其电功率的本能，它的发电器官沿着脊椎连续并列，其数达140多个，这就犹如一条精巧的配电线路，使电压升高，电流得以增强。

从解剖学上看，电鳗虽然在外形上像一条鳗鱼，却和鳗鱼完全不同。电鳗自成一类，就叫电鳗类。电鳗约长2米，有着棕色和橙色混合着的躯体和一个又短又粗的头部。它的全身长度只有八分之一是头部和躯体，其余的便是尾部。它的尾部布满了一种叫“电极”的胶质细胞，这些细胞一层层地互相粘贴起来，就像电池里的电极一样互相串联着。这就是电鳗的电池了。

电鳗的尾部，生有三对发电器官：一对主发电器和两对小型发电器。电鳗身体摆动时，其中的一个小型发电器便会发出每秒20～30次的微弱脉冲。它们的作用同雷达一样，用以探测猎物或敌人的所在位置。一旦发现目标，它便用主发电器和另一个小发电器向目标放电。据海洋动物专家的测定，电鳗在捕食时，放电量一般在300～800伏。这说起来倒简单，可真要产生这么高的高压可绝非易事。它必须保证无数个“电池”都能同时联通。这就要求其大脑发出的指令脉冲都能同时到达每个“电池”。这里蕴藏了大自然的绝妙安排。

更奇妙的是，电鳗的放电蓄电，与人类发明的电池有不少相似处。第一，电鳗不是整天都可以产生电流的。当有些物体跟它碰触，或者它跟什么发生冲突的时候，这个信息立刻便会传达到它的脑部去。于是，它立刻开动发电机，利用它的电流去自卫，或者电杀其他鱼类作为食物，这与电池不接通时不放电一样。第二，电鳗所产生的电流，是从它的头部传到它的尾部，这就跟一个电池所发生的电流一样，是只有一个方向的。第三，当一个电池停止发出电流时，就得补充，电鳗也一样。当它放出了太多的电流之后，电源便干涸了。于是，它就会退到一处安全的地方，直至它的电池再次充电，它才恢复活动。

自身带电而又能放电的鱼类、兽类，已发现的就有100多种。除了电鳗外，电鲶、电鳐也都是著名的“动物发电机”。非洲河流里的电鲶，发出的电，电压高达350伏。在太平洋北部发现的一种大电鳐，电流可达50安培，如果电压以60伏计算，这种电鳐的电功率就是3000瓦，这样大功率的电击，足以击死一条大鱼。

并不是所有的电鱼都能发出很强的电。裸臀鱼（它的尾巴没有尾鳍，是赤裸裸的）、长吻鱼、裸背鳗、吻电鳗、鳍电鳗以及某些鳐鱼都只能发出微弱的电脉冲。它们的发电器官很小，电功率很低，不足以击死或击昏其他动物。它们把它作为一种工具，用来搜索环境和寻找食物，就像我们用雷达来监视天空一样。这些鱼的发电器官是一部精巧的“水下雷达”。

电鳗带电放电的现象也许是除闪电以外，人类接触得最早的放电现象。

生物电对人体的应用

据说古代流行着这样一种治病的方法：把电鳐弄到岸上，让患风湿性关节炎的病人，坐在电鳐的身上，用它放出的强电流刺激病人。还有，早在2000多年以前，古罗马的医生就知道电鳐会放电，并且利用这种电来治疗精神病。后来这种“生物电疗法”逐渐被人工电所代替了，并成为一种专门的治疗技术，称为“电疗技术”。

生物电与人工电，虽然产生的方法不同，但电的性质完全相同。实践证明，用电线把电鱼的电引出来，可以使灯泡发光。即使是老鼠身上的微弱电流，也可以用来发动微型的无线电发报机。这就是说，生物电可以用来开动人造机器。

随着认识的不断深入，人类开始利用生物电为自己服务了。(www.xing528.com)

科学家们发现，人体里面有好几百万个细胞，也都是能够制造微量电流的。例如，来自脑部的电流，只要在我们的头皮上面装上一个电阻，然后再跟一套计算仪器连接起来，即可以计算出它的电量了。临床医生还把生物电作为诊断疾病的一种生理指标，根据脑电图和心电图来判断脑和心脏的机能是否正常。

人类已经发明了一种由脑电控制的人造假肢。只要大脑下达一个“握手”的命令，假手就会立刻握起来。原来，假手有两根电极，分别接在上臂的两块肌肉外面，用来接收从大脑传来的电信号。这种电信号经过放大，又去推动假手里的一个微型电动机，于是假手就动作起来了。上肢残废的人，戴上这种假肢，可以完成一些自我服务性的简单动作。

脑电假肢是用生物电来开动人造机器，而心脏起搏器则是用人工电来开动“生物机器”。

人的心脏之所以能够有规律地跳动，是因为心脏本身有一部“微型发电机”——窦房结的缘故。窦房结总是每隔不到一秒钟的时间发出一次电脉冲，从而引起心脏的一次收缩。如果窦房结损坏，或者心电的传导系统发生障碍，心脏就不能正常工作了。心脏起搏器就是模仿窦房结的工作原理制成的，它每分钟发出70次左右的电脉冲，通过电极去刺激心脏，引起心脏的收缩。这样心脏起搏器就代替了窦房结，启动心脏工作。

电子学家也早已对生物电发生兴趣，他们想从神经细胞和神经网络中学到一些新的知识，以便设计出更加精巧的电子元件和电子线路。电子计算机的设计人员更是对人脑这部思维机器佩服得五体投地，他们多么想了解大脑的秘密，从而制造出类似于人脑那样的“电子脑”。

植物电极

科学家们发现，植物在进行光合作用的时候，同样会产生电。

几乎所有植物都可以利用水分和二氧化碳做原料，利用日光的能量，来制作淀粉等养分，这就是光合作用。在进行光合作用时，植物首先用叶绿素吸光，以太阳能来分解水。水是由氢和氧组成的，水分解时，除了产生氢和氧之外，还要飞出电子，电子带负电荷，在水分解之前，它藏在氢和氧原子中间。为了制造出植物生活所需的养分，电子要在叶绿体内消耗掉，但是，如果将它提取出来就能得到电能。

植物的光合作用是其生存的一种基本生理机能，所以植物能够比较稳定地产生电。因此，科学家们设想利用植物的光合作用来发电。

日本岛根大学的落合英夫最早进行了植物发电的实验。他选用菠菜做材料，先把菠菜叶搅碎，大约搅拌10秒钟，这样叶绿体就暴露出来，容易提取电子了。然后，把碎菠菜叶薄薄地摊在氧化锡薄板上，为了避免脱落，涂上一层透明的聚乙烯醇，像胶一样把它固定住，发电装置就制成了。光合作用需要水，但是纯净的水不易导电，只要在水中溶解一些其他物质形成电解液，就能导电了。

这种发电装置虽然发电量甚微，但只要有光就能得到电流，而且不消耗任何燃料，因此这项发明具有深远的意义。只是菠菜的叶绿体既怕光又怕热。这种发光装置虽然能发电，但水温一达到45℃，只要10分钟左右电流就减弱了，再过上一两个小时就接近于零了。由于日光照射而使水温达到几十度是经常性的事，因此，采用菠菜的发电装置没有实用价值。而且，菠菜每个叶细胞中有几十个以至几百个叶绿体。叶绿体怕氧气，本来叶绿体包在菠菜的细胞之中，不会直接接触到氧气。为了抽出电子，菠菜的细胞膜遭到破坏，叶绿体立刻会受到氧气的强烈刺激，因而菠菜发电装置很快就失效。因此，专家们到处寻找耐热、耐光而又不怕氧气的叶绿体。结果，在日本岛根大学附近的松江温泉内找到了一种藻类。

这种藻是一种低级的藻类，叫作蓝藻。它生活在水温为40～50℃的温泉水中。它的结构简单，微小的细胞像线一样连在一起，粗细只有1～2微米，肉眼难以发现，几根聚集在一起才像一团线头那么大。把它培养在打来的温泉水中，只要有阳光并保持适当的温度，即使不加入任何养分也能很快繁殖增加。

把蓝藻用细纱布过滤一下，再放到离心分离机上去掉水分，就可以得到半干的蓝藻，将它薄薄地涂在氧化锡板上，用一种琼脂加以固定，就制成了一个阴极。蓝藻电极比菠菜电极制作方便，而且蓝藻的细胞没遭到破坏，依然是活的，所以可以长期使用。

用这种蓝藻活电极能得到多少电呢？根据专家们的实验，当受到比晴天晌午的阳光稍弱的光照时，可以发出8～10毫安左右的电流。盛夏时屋外光线较强时，可以发出20毫安左右的电流。这样的电流是极其微弱的，连一盏小灯泡也点不着，但这是因为实验装置太小了。根据计算，如果把一米见方的玻璃窗都装上蓝藻电极，就能得到1安培左右的电流，如果加上两三层电极，电流还会增加，如果在电解液中加入一些特殊药品，使电子更容易运动，得到的电流还会更强一些。

蓝藻通过光合作用制造出的电子，本是用来维持自身生命的，若是夺走这些电子，它的生命也就不存在了。那么，怎样才能使这个发电装置工作的时间更长呢？用多强的光照射更合适呢？用蓝藻做的电极是不是最好的呢？还有没有更佳的植物呢？植物发电要走向实用，有待于解决的问题还多着呢。

微生物发电

肉眼所看不见的微生物，具有种类多、数量大、分布广、繁殖快、消化本领奇怪的特性。在自然界的物质转化过程中，无须任何特殊装置和强大的能量，微生物就可以在体内进行成千上万种的化学反应，因此人们称之为“最古老的化学家”。微生物发电，就是将微生物产生的化学能转换成电能。

有一种叫“硫化菌”的微生物，生活在深深的海洋底下。硫化菌同其他生物一样，需要能量维持生活。它们是怎样获取能量的呢？不同于一般的生物，它们不停地分解海水中的硫酸盐，然后就像运输工似的，把分解产生的氧和水中的氧输送给有机化合物——沉积在海底的动植物遗体，用来进行氧化。在这氧化过程中产生的多余能量，就由硫化菌自己消耗掉。氧从硫酸盐分子中分离出来，结果海水的下层出现酸性的硫化氢溶液，并产生许多正离子，在上层又产生了许多负羟基离子。于是，就在海水中形成正负电子层，从而产生电位差，电流随之开始循环。

科学家们模仿大海制造了一种电池模型，让硫化菌在实验室里发电。他们在两个试管中装入白金电极和不同成分的海水，如同大海一样，也分为上下两层，让硫化菌在连接两个试管的电桥上繁殖。结果硫化菌仍不忘扮演“运输工”的角色，同样产生了电流。这个生物电池模型，一直在实验室中工作了几个月。试验证明，硫化菌活动时产生的化学能，可以直接转换成电能。这种电池的电压是0.5伏，电流为1毫安略强。如果需要更高的电压和电流，只要把这种电流串联或并联起来就行了。

目前，人们已能利用这种方法，制造出小型的经济的生化电池。有一种有效半径为24千米的小型发电机，就是利用一种依靠海水中的糖分而生存的微生物来发电的。这种微生物发电效率高、性能可靠稳定。有些地方的浮标和无人灯塔，就是使用了这种微生物电池。