Vì sao cá chình điện có thể tạo ra dòng điện lên đến 600 V  


Hình 1: Cá chình điện trong tự nhiên [6]

Từ khi được phát hiện vào năm 1776, cá chình điện Electrophorus electricus đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu với khả năng tạo dòng điện rất mạnh. Trong tự nhiên có khoảng 300 loài cá có khả năng tạo ra hoặc cảm nhận được dòng điện để trao đổi tín hiệu hoặc cảm nhận môi trường xung quanh. Tuy nhiên có rất ít loài trong số đó có thể tạo ra dòng điện mạnh để săn mồi hoặc tự vệ. Theo ghi nhận, cá chình điện Electrophorus electricus (thuộc Bộ Gymnotiformes, Họ Gymnotida) là loài có thể tạo được dòng điện mạnh nhất, loài cá này sinh sống tập trung ở khu vực Tây Bắc Nam Mỹ như sông Amazon, Guyanas và Orinoco [1].

Cá chình điện trưởng thành có kích thước gần 2 mét, nặng khoảng 20 kilogram. Không giống với các loài cá điện khác, cơ thể của loài sinh vật này rất đặc biệt: các cơ quan nội tạng tập trung ở phần đầu, chiếm khoảng 20 % kích thước cơ thể; trong khi phần còn lại dành cho các cơ quan tạo ra điện [2]. Cơ thể E. electricus có ba bộ phận tạo ra điện: cơ quan chính, Hunter và Sach (hình 2). Cơ quan chính có thể tạo ra dòng điện lên đến 600 V với tần số lên đến vài trăm Hz là bộ phận cơ thể tạo ra điện mạnh nhất và thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Trong khi cơ quan Sach tạo ra dòng điện thấp khoảng 10 V với tần số cao nhất là 25 Hz [3] và cơ quan Hunter có thể tạo ra dòng điện mạnh và yếu tùy theo vị trí vùng phía trước hay vùng phía sau [4].

Hình 2: Cấu trúc cơ thể cá chình điện

(A) Phần lớn nội tạng của cá chình điện tập trung ở phần đầu, phần còn lại là vị trí của các cơ quan tạo ra điện: cơ quan chính, Sach và Hunter.

(B) Lát cắt ngang của cá chình điện.

(C) Sự sắp xếp của các tế bào tạo ra điện electrocyte [5].

Các cơ quan tạo ra điện bao gồm nhiều đơn vị tế bào được gọi là electrocyte mà mỗi một đơn vị electrocyte là một tế bào có nhiều nhân [7]. Electrocyte của cơ quan chính và Sach có hình dạng như dải băng lớn: dài khoảng 4 cm, rộng 1,5 mm và dày 80 µm. Electrocyte của Hunter thì tách nhau rõ rệt hơn và thường to hơn ở cơ quan chính và Sach [8]. Chúng sắp xếp theo kiểu tế bào này nối tiếp tế bào kia trên một đường thẳng tạo thành những dãy dài suốt theo chiều dài của cá chình [2].

Thông thường, mỗi tế bào sống đều tạo ra sự tích điện nhỏ. Khi các ion dương như Na+, K+, Ca2+ di chuyển ra ngoài tế bào thì bên ngoài tế bào sẽ mang điện tích dương hơn so với bên trong tế bào. Các ion này có thể quay lại bên trong tế bào để trung hòa điện tích. Tuy nhiên, tế bào sử dụng năng lượng hóa học để duy trì việc bơm các ion dương ra ngoài tế bào. Đây được gọi là điện thế nghỉ của tế bào, thường có giá trị khoảng -0,085 V (âm hơn so với môi trường).

Hình 3: Cấu trúc và trạng thái của electrocyte khi bình thường và kích thích [9]

Ở cá chình điện, các tế bào phát điện electrocyte có cấu trúc rất khác biệt. Các tế bào này sắp xếp không đối xứng: mặt trơn nhẵn được gắn với các sợi dây thần kinh trong khi mặt có nhiều gấp nếp thì không. Và các tế bào này được sắp xếp với nhau theo kiểu mặt nhẵn hướng về phần đuôi còn phần gấp nếp thì thì hướng về phần đầu. Bình thường, cả mặt trơn và mặt gấp nếp đều có điện thế -0,085 V. Khi hệ thần kinh bị kích thích giải phóng tín hiệu acetylcholine, thụ thể acetylcholine ở màng nhẵn sẽ nhận được tín hiệu hoạt hóa làm mở kênh ion Na+, Na+ sẽ đi vào bên trong tế bào. Quá trình khử cực này sẽ tạo nên điện thế +0,065 V ở màng trơn nhẵn. Trong khi màng gấp nếp không có kênh ion Na+, nên sẽ duy trì điện thế nghỉ 0,085 V [2]. Khi bị kích thích electrocyte có thể tạo được điện thế 0,15 V (0,085 + 0,065). Quá trình này xảy ra gần như đồng thời ở tất cả các electrocyte. Cá chình điện trưởng thành có khoảng 6000 electrocyte được sắp xếp liền kề với nhau nên chúng có thể tạo được điện thế khoảng 600 V trong một lần phóng điện [10].

Về cơ chế phân tử, cá chình điện có được khả năng phóng điện là do sự biểu hiện vượt trội một số loại protein, đặc biệt là hệ thống protein màng như thụ thể cho acetylcholine, các kênh ion K+, Na+ và các enzyme như ATPase cung cấp năng lượng cho sự duy trì điện thế màng cũng như vận chuyển các ion qua màng khi tế bào bị kích thích. Vì thế, các mô phát ra điện của loài này thường là nguồn để tách các loại protein vận chuyển điện tích. Ngoài ra, một câu hỏi luôn được mọi người thắc mắc, tại sao bản thân các chình điện khi bị điện giật khi chúng phát ra điện. Câu hỏi này hiện vẫn chưa được giải đáp. Nhưng nhiều giả thuyết cho rằng khi phát ra dòng điện bản thân cá chình cũng bị co giật, nhưng chúng có cơ chế để giảm tổn thương bởi dòng điện do chính bản thân gây ra [10].

Với nhiều nghiên cứu đang được tiến hành trên cá chình điện, trong tương lai, chúng ta có thể vận dụng những hiểu biết về loài động vật này vào đời sống, đặc biệt là khi các vấn đề về năng lượng mới đang được quan tâm.

Tác giả: Võ Thị Hạnh Đan, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM.

Tài liệu tham khảo:

 

1.         Berra, T.M., Freshwater fish distribution. 2001: Academic Press.

2.         Gotter, A.L., M.A. Kaetzel, and J.R. Dedman, Chapter 48 - Electrocytes of Electric Fish A2 - Sperelakis, Nicholas, in Cell Physiology Source Book (Fourth Edition). 2012, Academic Press: San Diego. p. 855-869.

3.         Ortega, H. and R.P. Vari, Annotated checklist of the freshwater fishes of Peru. 1986.

4.         Ching, B., et al., Voltage-Gated Na+ Channel Isoforms and Their mRNA Expression Levels and Protein Abundance in Three Electric Organs and the Skeletal Muscle of the Electric Eel Electrophorus electricus. PLOS ONE, 2016. 11(12): p. e0167589.

5.         Hewitt, J. Eel muscle could be the first step towards human-generated electricity. 2014; Available from: https://www.extremetech.com/extreme/185518-eel-muscles-could-be-the-first-step-towards-human-generated-electricity.

6.         Catania, K.C., Electric eels concentrate their electric field to induce involuntary fatigue in struggling prey. Current Biology, 2015. 25: p. 2889.

7.         MERMELSTEIN, C.D.S., M.L. COSTA, and V. MOURA NETO, The cytoskeleton of the electric tissue of Electrophorus electricus, L. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 2000. 72: p. 341-351.

8.         Bennett, M.V.L., Electric Organs, in Fish Physiology, W.S. Hoar and D.J. Randall, Editors. 1971, Academic Press. p. 347-491.

9.         Xu, J. and D.A. Lavan, Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nature nanotechnology, 2008. 3(11): p. 666.

10.       Pelletier, T. How Do Electric Eels Generate Electricity? . 2010; Available from: http://askanaturalist.com/how-do-electric-eels-generate-electricity/.