전기 뱀장어

출처 : http://helium.vancouver.wsu.edu/~ingalls/eels/index.html

 Features

 

The  electric eel seems to have adapted and evolved to its preferred environment.  It is able to swim forward and backward with its undulating anal fin.  This allows it a better sense of its surroundings. The muddy waters it inhabits contain extremely low oxygen levels.        The fish frequently surfaces and ‘gulps’ 80% of its oxygen through its practically toothless, yet heavily vasculated mouth. The gills filter the remaining 20% of its oxygen intake.  An electric eel will die if left in water for more than 20 minutes.
The cloudy water also does not create visual obstacles for the fish either.  Not only is the electric eel nocturnal, a fully grown fish can hardly use their beady eyes.  Although the youth can see, the adults become increasingly blind due to the constant exposure to the generated electrical field.  In fact, the world of the electric eel is entirely electrical.

By producing an electrical current with low-voltage, the electric eel creates an electrical field, which surrounds their elongated bodies. This enables it to navigate and communicate.  Electric fish like the  electric eel are generally divided into two categories:  Strongly electric fish and Weakly electric fish.   Strongly electric fish are distinguished by a pulsated-like discharge, as opposed to the Weakly electric fish, with a  wavelike discharge.

These  discharges are called electric organ discharge (EOD). Strongly electric fish use electric organ discharge to stun prey in addition to navigation, object detection (electrolocation) and communication (electrocommunication.)

Of the Strongly electric fish, the electric eel is set apart.  No other electric animal compares to the electric eel’s unique ability to generate such an enormous amount of electricity for a predatory and territorial weapon.  A fully grown eel can produce a potential difference of 600 volts (five times an electrical outlet).  In contrast, another Strongly electric fish, the torpedo ray, can only discharge approximately half the voltage of the Electrophorus Electricus.

When the electric eel shocks its prey, it either stuns and paralyzes it or kills  it.  This would be evolutionarily beneficial to the toothless fish so that the prey does not present a struggle to its predator. The electric eel also shocks itself in the process, yet tolerates the current.  Its place in the electrical current flow decreases the effects of the shock, as does its thick, course skin.

This extraordinary ability has naturally drawn a great deal of attention as to how electrical generation of this magnitude occurs within a single animal.  Here we’ll explore the underlying mechanisms of the electrical discharge that set electric eels apart from all other animals.

 

Electric Organs and Electrocytes

The vital organs of the electric eel are located entirely in the first 1/5 of its body, leaving the remaining 4/5 tail occupied by three electric organs.

 The Sachs’ organ is where low-voltage pulses are emitted  for electrolocation and navigation.

The Hunter and Main organs are where the high-voltage emission occurs.

Electric organs are made up of cells called Electrocytes.  Some scientists believe these cells are derivative of a muscle-cell since nerve cells synapse onto them and they behave much like a muscle-cell post-synaptically.  However, they are unlike muscle cells in that they don’t contract.  Flat and disk-like, the electrocytes are stacked in a sequence much like a dry-cell battery, with the head as the positive pole and the tail as the negative pole.  Each electrocyte generates .15 volts, which is a very small amount.  However, when 4,000 electrocytes are lined up generating electricity at the exact same time at .15 volts each, the shock equals at least 600 volts, which can paralyze or kill a human, especially after repeated shocks.

At rest, the Na+K+ pump, concentration and electrical gradient keeps the inside of the electrocyte at a resting potential of .08 volt.  When the electric eel electrolocates its prey, the brain sends a signal through the nervous system to the electric organs.  Acetylcholine is dropped onto the electrocyte which binds to the corresponding receptor on the  ion.  This opens the ion channels of the cell, allowing Na+ to rush in.  The cell then depolarizes, momentarily reversing the charge, and fires.

Since the electrocytes are lined up, current flows through like a battery, emitting a charge.  However, they must all discharge at the same time.  The electric eel’s design resolves this at the neuronal connections by delaying the signals and action potentials. The closer connections have longer and thinner pathways, which decelerates the signal and allows all electrocytes to synchronize their discharge.


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양성자 스핀의 기원


양성자는 쿼크들로 이루어졌다. 쿼크는 실험에서 직접 모습을 드러내지는 않지만 어쨌든 이러한 내부 구성원들은 양성자의 특성을 만들어낸다. 하지만 그러한 연관성을 밝히는 것은 쉬운 일이 아니다. Physical Review Letters 8월 8일자에 출판된 한 이론 논문에서는 쿼크의 내밀한 수학적 기술을 가시적인 형태로 변환함으로써 양성자의 내부를 조명하고 있다. 이 사진은 내부 동력학이 양성자의 스핀에 영향을 주는 과정에 대해 현실적으로 자세히 설명하고 있다.

 

  1960년대 쿼크의 개념이 처음 나왔을 때 물리학자들은 양성자 내부의 세 쿼크들이 여러 가지 면에서 작은 공같이 행동하는 물체를 만들며, 구형 대칭 형태로 움직이고 있다고 가정하였다. 이러한 관점에 따르면 양성자의 스핀은 단순히 쿼크들의 고유 스핀에 의해 발생한다. 하지만 1980년 대 후반 들어 양성자의 스핀은 쿼크들 개개의 고유 스핀이 아닌 상대적 궤도 움직임에서 나오는 것으로 보이는 실험적 증거들이 나타나기 시작했다. 게다가 쿼크-반쿼크 쌍과 다른 입자들이 양성자 내부에서 순간적으로 생성과 소멸을 반복하는 것이 명백해졌다. 이것들은 모두 양성자의 특성에 영향을 준다.

  1996년 메릴랜드 대학교의 Xiangdong Ji는 자신이 일반화된 파톤 분포(Generalized Parton Distribution)이라고 부른 수학적 도구를 도입해 실험자료를 양성자 내부의 입자 구성에 관련시켜 설명하는데 사용하였다. 하지만 그는 GPD는 추상적이라서 직관적으로 이해하기 어렵다고 말한다. 그는 이 도구는 양성자 스핀의 기원을 찾는 도구로서는 필요이상으로 복잡해 보인다고 부연한다.

양성자의 내부 구조를 묘사한 Ji의 새로운 방법을 이해하기 위해서는 양자 입자의 거동을 상기해야한다. 예를 들어 한 수소 원자 내에 있는 하나의 전자는 흔히 “전자 구름”으로 표현된다. 아령 모양을 한 수소원자의 “p 오비탈”은 원자가 p라고 불리는 양자 상태일 때 전자들이 존재할 확률이 높은 곳을 나타낸다. 이와 비슷하게 양성자 내부의 쿼크들도 특정 위치에 존재하는 것이 아니라 일정한 공간을 차지하고 있는 양자 입자들이다. 불확정성의 원리 때문에 쿼크들의 운동량은 분명한 값을 갖지 않는다.

  Ji의 최근 연구에서 수학적 GPD를 수소 원자의 오비탈 그림과 같은 것으로 변환하는 방법을 보여주었다. 그는 이것을 “컬러 필터”라고 부르는데 그 이유는 필터들이 특정 운동량을 갖는 쿼크들의 움직임만을 추출하기 때문이다. 이러한 필터링을 이해하고 싶다면 출퇴근 시간에 도시를 출입하는 자동차들을 생각해보라고 Ji는 제안한다. 모든 차들을 한꺼번에 본다면 대략 일정한 패턴을 보겠지만 북쪽으로 시속 30마일로 달리는 자동차만 본다면 지극히 일부인 특정 거리만이 나타날 것이다.

Ji의 각 필터 그림은 특정 운동량 값을 갖는 쿼크들만 고려했을 때 가장 가능성이 높은 위치를 보여준다. 이 그림들은 특정 운동량을 가진 쿼크들이 점유하는 공간이 반드시 구형 대칭일 필요가 없음을 보여준다. 모든 쿼크 운동량 그림을 다 더하면 정확하게 구형 분포를 준다. 하지만 구형이 아닌 모양의 일부 그림들은 쿼크의 움직임이 완전히 불규칙적인 것은 아니며 위치에 의존한다는 것을 보여준다. Ji는 일반적으로 쿼크의 운동량과 위치 사이의 그러한 연관성은 쿼크들이 서로의 궤도를 도는 전체적인 회전을 의미하는 것이라고 말한다. 이것은 우리가 양성자의 스핀으로 관측하는 양이다.

  블루밍턴에 있는 인디애나 대학교의 Tim Londergan은 “Ji의 최근 연구는 진정한 진보다.”라고 말한다. 그는 “Ji는 새로운 방법으로 쿼크의 위치에 대한 직접적인 개념을 제공함으로써 해석하기 어려웠던 수학적 개념에 물리적 의미를 부여했다.”고 전했다.

 


2005/05/05 01:39 2005/05/05 01:39