Cá chình điện phát điện nhờ hàng nghìn tế bào đặc biệt gọi là tế bào điện, vốn là tế bào cơ biến đổi, xếp nối tiếp nhau như những viên pin chồng thành cột. Mỗi tế bào chỉ cho khoảng một phần mười vôn, nhưng hàng nghìn tế bào cùng "bật" trong một phần nghìn giây thì điện áp cộng lại lên tới hàng trăm vôn, đủ làm tê liệt con mồi và khiến người hay ngựa ngã quỵ. Dù tên là "chình" hay "lươn", nó không phải chình hay lươn thật, mà là họ hàng của cá dao Nam Mỹ.
Con vật này là ai, sống ở đâu
Cá chình điện (chi Electrophorus) sống ở các sông, suối, đầm lầy nước ngọt vùng Amazon và Orinoco ở Nam Mỹ. Thân dài, có thể quá hai mét, không có vây lưng, di chuyển bằng cách uốn một dải vây hậu môn dài chạy dọc bụng, nhờ đó bơi tiến hay lùi đều dễ. Nó sống ở vùng nước đục, ít ôxy, và phải ngoi lên mặt nước hớp không khí định kỳ, vì phần lớn ôxy nó lấy qua miệng chứ không qua mang.
Trong thế kỷ 18 – 20, người ta coi tất cả cá chình điện là một loài. Năm 2019, một nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications rằng thật ra có ba loài, dựa trên DNA và đặc điểm cơ thể. Một trong số đó, được đặt tên Electrophorus voltai theo tên nhà vật lý Volta, cho số đo điện áp cao nhất được ghi nhận ở một loài động vật, khoảng 860 vôn. Các loài còn lại thường được nhắc với mức vài trăm vôn.
Việt Nam không có cá chình điện ngoài tự nhiên. Người ta chỉ có thể thấy chúng ở một số thuỷ cung, bể trưng bày.
Cột pin sống: tế bào điện
Mỗi tế bào trong cơ thể, kể cả tế bào của bạn, đều là một cục pin tí hon: bên trong và bên ngoài màng tế bào chênh nhau khoảng một phần mười vôn, vì các ion natri, kali bị bơm và giữ ở hai phía khác nhau. Khi dây thần kinh ra lệnh, các kênh ion trên màng mở ra, ion lao qua, điện áp đổi dấu trong nháy mắt. Đó là cách cơ bắp và thần kinh hoạt động.
Tế bào điện của cá chình điện là tế bào cơ đã mất khả năng co, nhưng giữ và phóng đại phần "pin". Chúng dẹt như chiếc đĩa, và có điểm đặc biệt: chỉ một mặt của đĩa có dây thần kinh và kênh ion mở ra khi nhận lệnh, mặt kia thì không. Khi lệnh đến, một mặt đảo điện áp còn mặt kia giữ nguyên, nên giữa hai mặt của đĩa xuất hiện một chênh lệch, cỡ trên một phần mười vôn.
Hàng nghìn chiếc đĩa như vậy xếp chồng theo chiều dài cơ thể, mặt này nối mặt kia, giống hệt chồng pin trong đèn pin. Điện áp cộng dồn: 5.000 tế bào nhân với khoảng 0,15 vôn là khoảng 750 vôn. Nhiều cột như thế đặt song song theo chiều ngang thì cho dòng điện lớn hơn. Hệ thần kinh của cá được "nối dây" sao cho tín hiệu đến mọi tế bào gần như cùng lúc, dù tế bào ở đầu hay ở đuôi, để chúng phóng điện đồng bộ.
Ba cơ quan điện, hai mục đích
Khoảng bốn phần năm chiều dài cơ thể cá chình điện là cơ quan điện; các cơ quan nội tạng dồn hết lên phần đầu ngắn. Có ba cơ quan:
| Cơ quan | Điện áp | Dùng để làm gì |
|---|---|---|
| Cơ quan chính | Cao, hàng trăm vôn | Săn mồi, tự vệ |
| Cơ quan Hunter | Cả cao và thấp | Hỗ trợ phóng điện cao áp và định vị |
| Cơ quan Sachs | Thấp, vài vôn | Phát xung yếu để "nhìn" môi trường bằng điện |
Xung điện yếu tạo quanh thân cá một điện trường. Vật nằm trong vùng ấy, như con cá nhỏ hay hòn đá, làm điện trường méo đi theo cách khác nhau tuỳ vật dẫn điện tốt hay kém. Những thụ thể trên da cá cảm nhận chỗ méo ấy. Đây gọi là định vị điện, rất có ích ở vùng nước đục mà mắt gần như vô dụng.
Săn mồi bằng điện: điều khiển cơ thể con mồi
Nhà sinh học thần kinh Kenneth Catania ở Đại học Vanderbilt (Mỹ) đã nghiên cứu kỹ cách cá chình điện săn mồi trong các bài báo khoa học từ giữa thập niên 2010. Ông cho thấy các xung cao áp không chỉ làm con mồi tê liệt. Chúng kích hoạt trực tiếp dây thần kinh vận động của con mồi, khiến toàn bộ cơ bắp con mồi co giật đồng loạt, đúng như cách súng điện cưỡng chế hoạt động trên người.
Khi con mồi trốn kín, cá chình điện có thể phát hai, ba xung ngắn liên tiếp. Con mồi co giật, cử động đó tạo sóng nước, cá chình cảm nhận được và biết ngay vị trí của nó. Rồi một loạt xung tần số cao giữ con mồi bất động trong lúc nó bị hút vào miệng.
Có lúc, cá chình điện quấn thân quanh con mồi lớn, đặt đầu và đuôi gần nhau để đưa con mồi vào giữa hai cực, làm điện trường qua con mồi mạnh lên nhiều lần.
Câu chuyện ngựa của Humboldt
Năm 1800, nhà tự nhiên học Alexander von Humboldt ở vùng đồng cỏ Venezuela kể lại cảnh người dân lùa ngựa xuống một vũng nước có cá chình điện, để cá xả hết điện vào ngựa rồi mới bắt cá. Ông tả cá lao lên áp vào bụng ngựa. Suốt hai thế kỷ, nhiều người coi đó là chuyện thêu dệt. Năm 2016, Catania công bố quan sát cá chình điện nhảy lên khỏi mặt nước, áp cằm vào vật đang đe doạ nó để dòng điện đi thẳng vào vật ấy thay vì toả ra trong nước, cho thấy chi tiết trong câu chuyện của Humboldt là có cơ sở.
Vì sao nó không tự giật mình
Đây là câu hỏi ai cũng đặt ra, và câu trả lời đầy đủ vẫn còn đang được nghiên cứu. Những yếu tố được nhắc nhiều:
- Cơ thể cá to, dòng điện toả ra khắp nước xung quanh, mật độ dòng qua mô của chính nó thấp.
- Các cơ quan quan trọng nằm ở phần đầu, tách xa cơ quan điện, và có các lớp mô mỡ ít dẫn điện bao quanh một số bộ phận.
- Thực tế, cá chình điện vẫn bị ảnh hưởng: đã có quan sát cho thấy nó đôi khi co giật nhẹ khi phóng điện mạnh. Nó không "miễn nhiễm" hoàn toàn.
Từ con cá đến chiếc pin đầu tiên
Cá phát điện đã có mặt trong lịch sử khoa học điện từ sớm. Thầy thuốc La Mã từng dùng cá đuối điện ở Địa Trung Hải để chữa đau đầu, theo ghi chép thời cổ đại. Thế kỷ 18, các nhà khoa học tranh luận gay gắt xem cú giật của cá có cùng bản chất với điện tạo ra trong phòng thí nghiệm không. Khi Alessandro Volta công bố cột pin năm 1800, ông mô tả nó là một "cơ quan điện nhân tạo", ví với cơ quan điện của cá đuối. Cấu trúc xếp chồng của cột pin, những đĩa kim loại xen lớp vải tẩm nước muối, giống một cách đáng ngạc nhiên với cột tế bào điện trong cơ thể cá.
Cá phát điện mạnh và yếu: so sánh nhanh
| Nhóm | Sống ở đâu | Mức điện |
|---|---|---|
| Cá chình điện | Nước ngọt Nam Mỹ | Hàng trăm vôn |
| Cá trê điện | Nước ngọt châu Phi | Hàng chục đến hàng trăm vôn |
| Cá đuối điện | Biển nhiệt đới và ôn đới, có cả biển Đông | Vài chục vôn, dòng lớn vì nước biển dẫn điện tốt |
| Cá dao Nam Mỹ, cá mõm voi châu Phi | Nước ngọt Nam Mỹ, châu Phi | Điện yếu, chỉ dùng định vị và "trò chuyện" với đồng loại |
Tự quan sát / tự thử an toàn
- Ở thuỷ cung: nếu nơi bạn đến có bể cá chình điện, nhiều bể gắn máy đo và loa hoặc đèn nối với điện cực trong nước. Quan sát lúc cá ăn: đèn loé hoặc loa kêu dồn dập khi nó phóng điện săn mồi. Không bao giờ thò tay vào bể.
- Làm "cột pin chanh": cắm một đinh mạ kẽm và một mẩu dây đồng vào mỗi quả chanh, cách nhau vài centimét. Nối nối tiếp ba, bốn quả chanh bằng dây có kẹp, rồi nối vào một bóng LED nhỏ và nhìn trong phòng tối: điện áp cộng dồn đủ làm LED sáng mờ. Xong thì bỏ chanh đi, không ăn. Đó chính là nguyên lý chồng pin của cá chình điện, ở mức an toàn.
- Đếm phép nhân: nếu một quả chanh cho chừng 0,9 vôn, cần bao nhiêu quả để được 600 vôn? Phép tính cho thấy cá chình điện đã xếp bao nhiêu "quả chanh" trong cơ thể nó.
Câu hỏi thường gặp
Cá chình điện phát ra điện như thế nào?
Nhờ hàng nghìn tế bào điện, là tế bào cơ biến đổi, xếp nối tiếp như chồng pin. Khi có lệnh thần kinh, tất cả cùng tạo chênh lệch điện áp nhỏ một lúc, cộng lại thành hàng trăm vôn trong một phần nghìn giây.
Cá chình điện phóng được bao nhiêu vôn?
Thường là hàng trăm vôn. Một nghiên cứu năm 2019 ghi nhận loài Electrophorus voltai phóng tới khoảng 860 vôn, mức cao nhất được đo ở động vật. Dòng điện mỗi xung chỉ kéo dài rất ngắn.
Cá chình điện có phải lươn không?
Không. Dù thân dài giống lươn, nó thuộc nhóm cá dao Nam Mỹ, họ hàng gần với cá chép và cá trê hơn là với lươn hay cá chình thật.
Bị cá chình điện giật có chết không?
Một cú giật đơn lẻ hiếm khi làm chết người khoẻ mạnh, nhưng gây đau, co cơ và có thể làm người ngã, chết đuối trong nước. Nhiều cú liên tiếp hoặc với người có bệnh tim thì nguy hiểm hơn. Không bao giờ chạm vào cá chình điện.
Vì sao cá chình điện không tự giật mình?
Cơ chế đầy đủ còn đang nghiên cứu. Thân cá lớn giúp dòng điện toả ra nước xung quanh, các cơ quan quan trọng nằm xa cơ quan điện, và một số mô ít dẫn điện bao bọc. Dù vậy, nó vẫn có thể bị ảnh hưởng nhẹ khi phóng điện mạnh.
