از مارماهی‌های الکتریکی تا صندلی اعدام: الکتریسیته چند ماجرای تکان‌دهنده در خودش دارد

دانشمندان چگونه از طبیعت برای مهار کردن این نیروی مرموز استفاده کردند؟ ما الکتریسیته را چیزی مدرن و ساخته دست بشر می‌بینیم. اما در حقیقت این نیرو به طور بیولوژیکی در همه ما وجود دارد و با کشف یک ماهی، که می‌تواند با ۶۰۰ ولت ما را از بین ببرد، بود که توانستیم بفهمیم آن را چطور به صورت مصنوعی تولید کنیم.

این موجود، که اسمش مارماهی الکتریکی (Electrophorus electricus) بود، گونه بومی رود آمازون است. این حیوان دریایی بزرگ (که از لحاظ تکنیکی یک ماهی است، اما اغلب با مارماهی اشتباه گرفته می‌شود) چنان مقادیر زیادی الکتریسیته تولید می‌کند که می‌تواند اسب‌ها را هم دچار رنج و تشنج کند.

بدن این ماهی شامل سه ارگان (اندام) است که از مواد الکترولیت، یا «سلول‌های باتری»، ساخته شده، و به گونه‌ای قرار گرفته‌اند که جریانی از یون‌ها می‌تواند از درون آن‌ها عبور کند، و و به گونه‌ای تجمع یافته‌اند که به قدرت ساخته شده اضافه می‌شود. بیولوژی این ماهی چنان نقش محوری در درک انسان از الکتریسیته داشت که مخترع باتری این ترکیب را کپی کرد.

حیوانات الکتریکی بسیار معدودی وجود دارند و بیشتر آن‌ها ماهی هستند. گربه‌ماهی، که در نواحی گرمسیری آفریقا و رود نیل یافت می‌شود، ۳۵۰ ولت الکتریسیته ساطع می‌کند. پرتو الکتریکی، یا ماهی تورپدو، می‌تواند ۲۲۰ ولت الکتریسیته تولید کند و یونانیان باستان آن را با لقب «ماهی بی‌حسی» مستند کرده‌اند، چون به عنوان یک بی‌هوش کننده پایه در پزشکی استفاده می‌شد.

همچنین حیواناتی وجود دارند که از الکتریسیته استفاده می‌کنند تا بتوانند در آب‌های کدر طعمه یا مسیرشان را پیدا کنند. کوسه‌ها به خاطر درک الکتریکی بی‌نظیر خود مشهورند، و به همین دلیل شکارچیان چنین خوبی هستند. اگر ماهیچه‌های شما یک جرقه الکتریکی ساطع کنند (که اگر زنده باشید حتما چنین است)، کوسه‌ها شما را پیدا می‌کنند.

بیشتر حیواناتی که درک الکتریکی دارند ساکن آب هستند. اما تعداد اندکی پستاندار الکتریکی هم وجود دارد؛ مثلا مورچه‌خورک زمینی (که با نام مورچه‌خوار خاردار نیز معروف است)، و خویشاوندش نوک‌اردکی، که هم در آب زندگی می‌کند و هم روی خشکی.

هم مورچه‌خورک و هم نوک‌اردکی دریافت‌کننده‌های الکتریسیته ریزی زیر پوزه خود دارند (در نوک‌اردکی تعداد این دریافت‌کننده‌ها به بیش از ۴۰ هزار می‌رسد)، که جریان‌های الکتریکی را تشخیص می‌دهند و به این ترتیب می‌توانند با چشمان بسته از میان گِل یا زمین خشک به سمت طعمه نقب بزنند.

توانایی‌های الکتریکی مورچه‌خورک، از آنجا که روی زمین است، حتی از این هم جالب‌توجه‌تر هستند. اخیرا کشف شده یکی از گونه‌های دلفین، دلفین گویان (که به طور تکنیکی یک پستاندار به حساب می‌آید)، از دریافت‌کننده‌های الکتریکی استفاده می‌کنند.

روی زمین، می‌دانیم زنبور عسل بال‌هایش را با چنان سرعتی به هم می‌کوبد که بار الکتریکی ایجاد می‌شود، که این بار به گلی که گرده‌افشانی کرده منتقل می‌شود. وقتی زنبور دیگر به آن گل می‌رسد، بار الکتریکی را تشخیص می‌دهد و می‌فهمد که نباید آنجا دنبال غذا بگردد.

جک اشبی (Jack Ashby)، مدیر موزه بزرگ جانورشناسی کالج دانشگاهی لندن، می‌گوید:«این امکان وجود دارد که بسیاری از جانوران آبزی، و به طور بالقوه پستانداران دیگر، به روش‌هایی از الکتریسیته استفاده کنند که ما قادر به فهم آن نیستیم یا هنوز کشف نکرده‌ایم. چون انسان‌ها در این کار مهارت چندانی ندارند، به اندازه کافی به این موضوع توجه نمی‌شود.»

این حقیقت که توجه ما به مارماهی الکتریکی جلب شد، این است که این حیوان می‌تواند مقادیر خارق‌العاده‌ای الکتریسیته ساطع کند. در آمریکای جنوبی مارماهی‌های الکتریکی برای نسل‌ها شناخته شده بودند و آزمایش‌های اولیه‌ای در قرن هجدهم روی آن‌ها انجام شد. اما در اروپا و آمریکای شمالی این حیوانات، مثل اسب تکشاخ، چیزی در حد افسانه بودند.

در کل، در آن دوره الکتریسیته یک شگفتی دیده می‌شد. انسان‌های قرون وسطی و رنسانس، وقایعی مثل تولید نور را یک چیز معجزه‌آسا و اسرارآمیز و در حد جادو یا غضب الهی می‌دیدند.

شوک

وقتی طبیعت‌گرایان (Naturalists) برای اولین بار در میانه‌های قرن ۱۸ درباره مارماهی‌های برقی شنیدند، یعنی زمانی که بنجامین فرانکلین در حال آزمایش برق‌گیر بود، کشف این حیوانات موجی از کنجکاوی را در جامعه علمی به وجود آورد.

روت گارد (Ruth Garde)، سرپرست موزه «الکتریسیته: جرقه حیات» (Electricity: The Spark of Life) در ولکام کالکشن، می‌گوید: «مارماهی‌ها به آمریکای شمالی و لندن فرستاده و به بخشی از شعبده‌های علمی تبدیل شدند که آن زمان در حال رواج یافتن بودند. آن‌ها در تئاترها به عنوان شگفتی‌ها و عجایب الکتریسیته به نمایش گذاشته می‌شدند و مردم پول‌های بسیار زیادی برای دیدن آن‌ها پرداخت می‌کردند.»

در آن روزها ، اصطلاح «الکتریسین» برای توصیف دانشمندانی به کار می‌رفت که به آزمایش‌های الکتریکی علاقه داشتند. الکتریسین‌ها در تحقیقات خود باید بار الکتریکی را در بطری‌های لیدن (بطری‌هایی شیشه‌ای با پوشش داخلی فلزی) ذخیره می‌کردند، که این باعث می‌شد گهگاهی شوک‌های الکتریکی سختی به آن‌ها وارد شود. این دانشمندان روی اثبات وجود الکتریسیته اتمسفری متمرکز بودند.

مطالعه بر روی حیوانی که می‌توانست با اختیار خودش ولتاژی تولید کند که از ظرفیت هر بطری بیشتر بود، کمک بزرگی به بهتر شدن فهم آن‌ها از الکتریسیته کرد.

یکی از اولین (و دراماتیک‌ترین) گزارش‌ها از مارماهی الکتریکی در اروپا از جانب الکساندر فون هومبولت (Alexander von Humboldt)، طبیعت‌گرای اهل پروس، حوالی سال ۱۸۰۰ ثبت شده. او از جایی که گویان هلندی نام داشت، بین رودهای اورینوکو و آمازون در آمریکای جنوبی، دیدن کرد، و می‌نویسد مارهایی‌هایی را دیده که ولتاژهایی بسیار بالا تولید می‌کنند و مردم محلی مثل هیولا از آن‌ها می‌ترسند.

هومبولت «منظره تماشایی» ماهی‌گیرانی را توصیف می‌کند که اسب‌ها را وارد یک مرداب می‌کنند تا مارماهی‌ها به آن‌ها شوک بدهند، چرا که بعد از تخلیه بار الکتریکی می‌توان مارماهی‌ها را به طور ایمن از آب گرفت و برای تحقیق و آزمایش استفاده کرد.

گارد می‌گوید:«بعضی از اسب‌ها مجروح می‌شدند یا می‌مردند و ماهی‌گیران محلی آن‌ها را همان جا در مرداب رها می‌کردند. این داستانی بسیار مخوف است، اما طوری که هومبولت آن را توصیف می‌کند بسیار جذاب است.»

اما رسیدن مارماهی الکتریکی به آمریکای شمالی و اروپا فقط از لحاظ فروش بلیط واقعه بزرگی نبود. گارد می‌گوید:«مارماهی الکتریکی در فهم ما از چگونگی توسعه جریان‌های الکتریکی برای استفاده خودمان حیاتی بودند.»

الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی مخترع باتری الکتریکی (یا پیل ولتایی) که واحد پتانسیل الکتریکی به افتخار او نام‌گذاری شده، کارش را بر پایه آناتومی مارماهی الکتریکی انجام داد.

گارد می‌گوید:«ولتا اولین دستگاه خود را «ارگان» نامید – یک اشاره مستقیم به ریشه‌های بیولوژیکی آن.» در حقیقت، اختراع باتری الکتریکی یکی از عواقب غیر منتظره، اما رضایت‌بخش تحقیق ولتا در حوزه بحث‌برانگیز الکتریسیته حیوانی بود. او مخترع یکی از آزمایش‌های لوییچی گالوانی در دهه ۱۷۸۰ بود، که عصب‌های یک قورباغه مرده را به یک سیم فلزی متصل کرد و در طول یک روز طوفانی و پر رعد و برق آن را رو به آسمان قرار داد. پاهای قورباغه طوری حرکت می‌کردند که گویی زنده بود.

در همین زمان که ولتا و گالوانی در حال بحث بر سر این بودند که الکتریسیته منشا بیولوژیکی دارد یا بیرونی، مری شلی چنان تحت تاثیر ایده احیای مرده‌ها با الکتریسیته قرار گرفت که این ایده الهام‌بخش رمان او، فرنکنشتاین، شد.

گالوانی بعدها به طور قاطعانه وجود الکتریسیته درون حیوانات را اثبات کرد. اما کار او ولتا را قانع نکرد – او به دلایلی مذهبی با این ایده مخالف بود. طبق گفته مارکو پیکولینو (Marco Piccolino)، یکی از نویسندگان کتاب «تاریخ حیرت‌انگیز ماهی‌های الکتریکی» (The Shocking History of Electric Fishes)، نظریه گالوانی به طور گسترده‌ای در جامعه علمی نادیده گرفته شد، تا این که دهه‌ها بعد آزمایش‌هایش را دوباره انجام دادند.

علم مدرن می‌پذیرد که تمام سلول‌های ماهیچه‌ای، هم در انسان هم در حیوان، پتانسیل الکتریکی دارند. دو قرن آزمایش علمی نشان داده که انقباض‌های عضلات با تکانه‌های الکتریکی-عصبی آغاز می شوند و یک پتانسیل الکتریکی در سرتاسر غشای تمام سلول‌ها وجود دارد.

چرا بعضی از حیوانات از بقیه الکتریکی‌تر هستند؟ به نظر می‌رسد این یک تغییر تکاملی بوده که بعضی از سلول‌های ماهیچه‌ای طی میلیون‌ها سال به الکترولیت‌هایی تبدیل شده‌اند که ولتاژهایی بسیار بالاتر از سلول‌های ماهیچه‌ای معمولی تولید می‌کنند.

گارد می‌گوید:«ماهی الکتریکی فهم ما را از الکتریسیته شکل داد. باعث شد بفهمیم الکتریسیته درون بدن ما نیز وجود دارد، چگونه کار می‌کند و چگونه می‌توان الکتریسیته را به بدن اعمال کرد تا آن را کمک کند.»