探究古老的知觉
本文作者在环形鱼池中饲养了一条银鲛,发现它可以用电感受器探测周围水域。
感应电场
进入20世纪,鲨鱼的球囊状结构的功能仍然困扰着科学家。转机却在偶然中出现:英国科学家默里意外发现,这种结构可以感知极其微弱的电场!
面对完全陌生的壶腹,如何研究它的功能?这是科学家面临的新挑战。不过,先进的仪器和丰富的想象帮助他们找到了答案。
1909年,美国哈佛大学的G·H·帕克(G. H. Parker)对一只角鲨(dogfish)进行研究。他先除去了壶腹开口处周围的表皮,以避免表皮里的触觉感受器影响试验结果。然后,他轻轻触摸暴露在外的导管,发现角鲨确有反应。这一结果证明,孔—管系统可能是用来感觉水的流速或者水压的,但帕克对此不能确定。毕竟,眼睛被刺戳也会作出条件反射,但这并不意味着眼睛就是用来感知意外刺激的。
正如显微镜开启了新的研究时代一样,真空管放大器(vacuum-tube amplifier)的出现,大大推动了上世纪三四十年代的脑功能研究。1938年,英国普利茅斯海洋生物学协会(Marine Biological Association)的亚历山大·桑德(Alexander Sand)成功地放大了由洛伦氏壶腹传向大脑的神经脉冲,并将这一过程记录下来。他发现,神经脉冲按一定频率发放,特定的刺激可以突然提高或降低频率。和帕克一样,桑德也发现壶腹对触摸和压力有反应。不过,他还注意到了另一个现象:温度下降时,神经脉冲的发放频率会上升。事实的确如此,壶腹对温度极为敏感,即使外部温差只有0.2℃,它都可以察觉出来。考虑到水温对迁徙以及其他鱼类行为的重要性,壶腹对水温的精确辨别,似乎在告诉科学家:壶腹是温度感受器。
20世纪60年代初,英国伯明翰大学的R·W·默里(R. W. Murray)使用现代电生理仪器重复了桑德的实验,证明壶腹的确会对温差、压力差以及触摸作出反应。他还发现,壶腹对盐浓度的改变也很敏感。更有趣的是,有一次他意外接通了壶腹导管开口附近的电场,结果壶腹的放电模式立即发生了改变!不仅如此,电场强度和电极的变化,也能改变神经脉冲的发放模式。当正极靠近壶腹开口时,发放频率降低,负极靠近时,频率则升高。
令人惊奇的是,默里发现壶腹对电场具有超乎想象的敏感性:可以对每厘米电势差低至1微伏(10-6伏)的弱电场作出反应,这相当于将一节1.5伏的5号电池的正负极,分别插在上海和香港所产生的电压梯度。理论上,在两极之间游动的鲨鱼可以轻而易举地察觉该电池电路的开闭(后继研究表明,鲨鱼可以察觉一亿分之一伏的电压)。任何组织、器官或动物对电场的敏感性都无法与鲨鱼媲美,即便运用现代仪器,科学家都很难在海水中检测到如此微弱的电场。
