عضو كهربائي (سمكة)

في علم الأحياء ، العضو الكهربائي هو عضو تستخدمه الأسماك الكهربائية لتوليد مجال كهربائي . تنشأ الأعضاء الكهربائية من أنسجة عضلية معدلة ، أو في بعض الحالات من أنسجة عصبية تُسمى الخلايا الكهربائية، وقد تطورت ست مرات على الأقل بين الأسماك الغضروفية والأسماك العظمية . تستخدم هذه الأسماك تفريغاتها الكهربائية للملاحة والتواصل والتزاوج والدفاع ، وفي الأسماك الكهربائية القوية، تستخدمها أيضًا لشل حركة الفرائس .

دُرست الأعضاء الكهربائية لنوعين من الأسماك ذات النشاط الكهربائي العالي، وهما سمكة الراي الطوربيدية وثعبان البحر الكهربائي ، لأول مرة في سبعينيات القرن الثامن عشر الميلادي على يد جون والش ، وهيو ويليامسون، وجون هنتر . واستخدمها تشارلز داروين كمثال على التطور التقاربي في كتابه " أصل الأنواع" عام 1859. وبدأت الدراسات الحديثة مع دراسة هانز ليسمان عام 1951 حول الاستقبال الكهربائي والتوليد الكهربائي في سمكة الجمنارشوس النيلية .

وُجدت أوصاف تفصيلية للصدمات القوية التي يمكن أن يسببها سمك السلور الكهربائي في مصر القديمة . ^{[ 1 ]}

في سبعينيات القرن الثامن عشر، كانت الأعضاء الكهربائية لسمكة الراي الطوربيدية وثعبان البحر الكهربائي موضوعًا لأبحاث الجمعية الملكية التي نشرها جون والش ، ^{[ 2 ]} وهيو ويليامسون ، ^{[ 3 ]} وجون هنتر ، الذي اكتشف ما يُعرف الآن باسم عضو هنتر. ^{[ 4 ] [ 5 ]} ويبدو أن هذه الأبحاث قد أثرت في فكر لويجي غالفاني وأليساندرو فولتا ، مؤسسي علم وظائف الأعضاء الكهربائية والكيمياء الكهربائية. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في القرن التاسع عشر، ناقش تشارلز داروين الأعضاء الكهربائية لثعبان البحر الكهربائي وسمكة الراي الطوربيدي في كتابه " أصل الأنواع" الصادر عام 1859 ، كمثال محتمل على التطور التقاربي : "لو كانت الأعضاء الكهربائية موروثة من سلف قديم واحد، لكان من المتوقع أن تكون جميع الأسماك الكهربائية مرتبطة ببعضها ارتباطًا وثيقًا... أميل إلى الاعتقاد بأنه كما توصل رجلان أحيانًا بشكل مستقل إلى نفس الاختراع، كذلك قام الانتقاء الطبيعي ، الذي يعمل لصالح كل كائن حي ويستفيد من الاختلافات المتشابهة، بتعديل جزأين في كائنين عضويين بطريقة متشابهة تقريبًا". ^{[ 8 ]} في عام 1877، درس كارل ساكس هذه الأسماك، مكتشفًا ما يُعرف الآن باسم عضو ساكس. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

منذ القرن العشرين، حظيت الأعضاء الكهربائية بدراسة مستفيضة، على سبيل المثال، في ورقة هانز ليسمان الرائدة عام 1951 حول Gymnarchus ^{[ 11 ]} ومراجعته لوظيفتها وتطورها عام 1958. ^{[ 12 ]} وفي الآونة الأخيرة، استُخدمت الخلايا الكهربائية لـ Torpedo californica في أول تسلسل لمستقبلات الأستيل كولين بواسطة نودا وزملائه عام 1982، بينما استُخدمت الخلايا الكهربائية لـ Electrophorus في أول تسلسل لقناة الصوديوم ذات البوابات الفولتية بواسطة نودا وزملائه عام 1984. ^{[ 13 ]}

تطورت الأعضاء الكهربائية ست مرات على الأقل في أنواع مختلفة من الأسماك العظمية والغضروفية . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} والجدير بالذكر أنها تطورت بشكل متقارب في مجموعتي أسماك مورميريداي الأفريقية وجيمونوتيداي الأمريكية الجنوبية . ترتبط المجموعتان بصلة قرابة بعيدة، إذ تشتركان في سلف مشترك قبل انقسام قارة غوندوانا العظمى إلى قارتي أمريكا وأفريقيا، مما أدى إلى تباعدهما. وقد سمح حدث تضاعف كامل للجينوم في سلالة الأسماك العظمية بتفعيل وظيفة جديدة لجين قناة الصوديوم ذات البوابات الفولتية Scn4aa، المسؤول عن إنتاج التفريغات الكهربائية. ^{[ 22 ] [ 23 ]} أشارت الأبحاث المبكرة إلى تقارب بين السلالتين، لكن الأبحاث الجينومية الحديثة أكثر دقة وتفصيلاً. ^{[ 24 ]} خلصت دراسة مقارنة للنسخ الجينية لسلالات Mormyroidea وSiluriformes وGymnotiformes أجراها ليو (2019) إلى أنه على الرغم من عدم وجود تطور متوازٍ للنسخ الجينية الكاملة للأعضاء الكهربائية، إلا أن هناك عددًا كبيرًا من الجينات التي تُظهر تغيرات متوازية في التعبير الجيني من وظيفة العضلات إلى وظيفة الأعضاء الكهربائية على مستوى المسارات. ^{[ 25 ]}

تُشتق الأعضاء الكهربائية لجميع الأسماك الكهربائية من العضلات الهيكلية ، وهي نسيج قابل للاستثارة الكهربائية ، باستثناء جنس Apteronotus (أمريكا اللاتينية)، حيث تُشتق الخلايا من النسيج العصبي . ^{[ 13 ]} لم تُحدد الوظيفة الأصلية للعضو الكهربائي بشكل كامل في معظم الحالات؛ ومع ذلك، من المعروف أن عضو جنس Synodontis، وهو نوع من أسماك السلور الأفريقية التي تعيش في المياه العذبة ، قد تطور من عضلات مُنتجة للصوت. ^{[ 26 ]}

يجب أن تتغير تفريغات الأعضاء الكهربائية (EODs) مع مرور الوقت لتحديد الموقع الكهربائي ، سواءً كانت نبضات، كما هو الحال في أسماك المورميريداي، أو موجات، كما هو الحال في أسماك التوربيدينيفورميس وسمكة السكين الأفريقية جيمنارشوس . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} تستخدم العديد من الأسماك الكهربائية أيضًا تفريغات الأعضاء الكهربائية للتواصل، بينما تستخدمها الأنواع ذات النشاط الكهربائي القوي للصيد أو الدفاع. ^{[ 28 ]} غالبًا ما تكون إشاراتها الكهربائية بسيطة ونمطية، ومتشابهة في كل مرة. ^{[ 27 ]}

يتم التحكم في تفريغ العضو الكهربائي بواسطة النواة النخاعية المسؤولة عن التحكم ، وهي نواة من الخلايا العصبية المنظمة لضربات القلب في الدماغ. تطلق الخلايا العصبية المحركة الكهربائية مادة الأستيل كولين إلى الخلايا الكهربائية. تطلق الخلايا الكهربائية جهد فعل باستخدام قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية على جانب واحد، أو في بعض الأنواع على كلا الجانبين. ^{[ 30 ]}

تحديد الموقع الكهربائي وأنماط التفريغ للأسماك الكهربائية ^{[ 29 ]}

مجموعة	الموطن	تحديد الموقع الكهربائي	تسريح	يكتب	شكل الموجة	مدة الذروة/الموجة	الجهد االكهربى
زلاجات راجيداي	مياه مالحة	نشيط	ضعيف	نبض		200 مللي ثانية	0.5 فولت
أسماك الفيل من فصيلة المورميريداي	مياه عذبة	نشيط	ضعيف	نبض		1 مللي ثانية	0.5 فولت
سمكة السكين الأفريقية Gymnarchus	مياه عذبة	نشيط	ضعيف	موجة		3 مللي ثانية	< 5 فولت
سمكة السكين المخططة (Gymnotus)	مياه عذبة	نشيط	ضعيف	نبض		2 مللي ثانية	< 5 فولت
سمكة السكين الزجاجية إيغينمانيا	مياه عذبة	نشيط	ضعيف	موجة		5 مللي ثانية	100 ملي فولت
أسماك الراي الكهربائية (Torpediniformes)	مياه مالحة	نشيط	ضعيف، قوي	موجة		10 مللي ثانية	8 - 220 فولت [ 31 ]
ثعابين كهربائية	مياه عذبة	نشيط	قوي	نبض		2 مللي ثانية	600 فولت [ 32 ]
أسماك السلور الكهربائية من عائلة Malapteruridae	مياه عذبة	نشيط	قوي	نبض		2 مللي ثانية	350 فولت [ 33 ]
مراقبو النجوم من عائلة Uranoscopidae	مياه مالحة	لا أحد	قوي	نبض		10 مللي ثانية	5 فولت

تُعدّ القدرة على توليد الكهرباء عنصرًا أساسيًا في رواية الخيال العلمي " القوة" للكاتبة نعومي ألدرمان ، الصادرة عام 2016. ^{[ 34 ]} في الرواية، تكتسب النساء القدرة على إطلاق صدمات كهربائية من أصابعهن، قوية بما يكفي لصعق أو قتل الآخرين. ^{[ 35 ]} تشير الرواية إلى قدرة أسماك مثل ثعبان البحر الكهربائي على إحداث صدمات قوية، حيث تتولد الكهرباء في شريط أو خصلة من العضلات المخططة المعدلة خصيصًا والممتدة عبر عظام الترقوة لدى الفتيات. ^{[ 36 ]}

تتخيل القصة القصيرة للشاعرة والكاتبة آنا كيلر، بعنوان "بين ذراعي ثعبان كهربائي"، فتاةً، على عكس الثعبان الكهربائي، تشعر بالصدمات الكهربائية التي تولدها. وبسبب اضطرابها واكتئابها، تحرق نفسها دون قصد حتى الموت بكهربائها. ^{[ 37 ]}