숙제에 뱀장어에 관한 문제가 나와서 괜찮은 자료를 정리해보았죠~

누가 이런걸 볼 사람이 있을려나??

Q&A 9.   How does an electric eel shock anything in an environment where everything is grounded? The conditions are so different from the usual electrical accident situation where, for example, one stands in a bathtub full of water, which is grounded through the piping, and touches a live wire. I can see how the shock passes through the body in that case, but I do not understand how the same thing happens under water.  Wilmington, Delaware

  When a voltage is set up between two electrodes in water, most of the current that results will flow in a straight line between the two electrodes. There will, however, be other lines of current flow that loop out into the water surrounding the electrodes. This may be understood by visualizing an electric circuit consisting of many resistors in parallel, some higher in resistance than others. There will be a certain amount of current flowing in the high resistors in spite of the fact that there are low resistance paths available. For a similar, reason current will flow in a three-dimensional pattern surrounding the electrodes in the water even though the path of lowest resistance is directly between the electrodes. If there is organic material near the electrodes it may or may not form a high resistance path with respect to the water around it (pure fresh water is not a good conductor). In any case, if the voltage between the electrodes is high enough, a shock will be registered. The electric eel acts like two electrodes with a battery voltage supply. It is somewhat misleading to think of this situation in terms of the water being part of a special electrical entity called a "ground." It is simply a conductor of a different form from the wires with which we are used to dealing.

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  Q&A 10.   How do electric fishes produce their electricity?
Carol Stream, Illinois

  Fishes that are capable of emitting electric discharges have electric organs composed of multiple stacks of coin-shaped cells called electroplaques. The electroplaques are derived from neuromuscular tissue. Nervous stimulation of each of them produces a small electrical flow, from one face of the coin- shaped cell toward the other. Many electroplaques arranged in a column, all oriented with the innervated side up, will produce a strong net current when stimulated simultaneously. The electroplaque columns are analogous to batteries aligned in series: the more electroplaques, or batteries, in a line, the greater the voltage produced. (Up to 550 volts can be discharged by the South American electric eel, Electrophorus electricus). Also, the more stacks aligned in parallel, the greater the amperage. The ability of electroplaques to generate an electric current is due to the structure of their cell membranes and the activity of chemical pumps. Sodium ions (Na+) are actively pumped out of the cell, creating an electrochemical gradient across the cell membrane. When the resting permeability of the cell membrane is altered (initially by nervous stimulation of the electroplaque surface), there is a net flow inward of the positive sodium ions. The flow of the positive ions toward the negative interior sets up a small electric current. Interesting facts about electric capabilities in fishes are given in "Fishes with Electric Know-How," Sea Frontiers, vol. 21, no. 3, May-June 1975 and in "Living Power Plants," Sea Frontiers, vol. 3, no. 2, June 1957.

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.

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.

간단히 말하면 인체의 각 세포에 포함된 수소원자핵, 즉 양성자의 자기성을 이용하는 것이다. 인체의 대부분이 물인 것처럼 세포의 7할에는 양성자가 포함되어 있다.  양성자는 팽이처럼 축을 갖고 회전하는 작은 막대자석에 비유될 수 있다. 보통 때 이 양성자의 회전축은 임의의 방향을 향하면서 지구처럼 자전하고 있는데, 외부자장의 영향으로 세차운동을 시작한다. 이때 세차운동과 동일한 주파수의 전자파를 가하면 핵자기공명이 일어나 양성자가 에너지를 흡수한다.  

어느 정도나 강력한 자기장을 걸어주나?
정해진 범위가 있지만 대개는 FM방송과 같은 정도인 약 64메가헤르츠의 고주파 자기장이다. 그 다음에 그 고주파 자기장을 끊으면, 양성자는 자기가 흡수했던 에너지를 방출하면서 원래의 상태로 돌아간다.
그 때 양성자가 방출하는 에너지를 컴퓨터 처리하면 단층화상을 얻을 수 있다. 건강한 조직과 병으로 이상이 생긴 조직간에 양성자가 방출하는 에너지에 차이가 있을까? 그렇다.
팽이가 관성으로 운동하다가 얼마 안 있어 정지하듯 이 전자파를 끊으면 양성자가 내는 신호도 점점 감소한다.
그런데 병의 종류에 따라 그 감소하는 방식이 다르다. 컵에 들어 있는 물은 다른 물체에 속박되어 있지 않기 때문에 신호가 잘 감소하지 아니한다. 암세포는 물의 양이 다른 세포보다 많아서  신호가 잘 감소되지 않으므로 건강한 세포와 구별될 수 있는 것이다.

건강한 조직과 병으로 이상이 생긴 조직간에 양성자가 방출하는 에너지에 차이가 있을까?
이 전자파를 끊으면 양성자가 내는 신호도 점점 감소한다. 그런데 병의 종류에 따라 그 감소하는 방식이 다르다. 컵에 들어 있는 물은 다른 물체에 속박되어 있지 않기 때문에 신호가  잘 감소하지 아니한다. 암세포는 물의 양이 다른 세포보다 많아서  신호가 잘 감소되지 않으므로 건강한 세포와 구별될 수 있는 것이다.

*참고*
CT 와 MRI 의 차이점
쉽게 비교할 수 있는 CT와 MRI의 차이를 보면, MRI는 자석의 힘과 라디오 주파수를 이용하여 검사하고, CT는 X-ray와 컴퓨터를 이용한다. CT는 단면의 영상으로 진단하는 반면 MRI는 단면, 횡면, 사면 등 여러 면으로 검사가 가능하다. 방사선을 이용한 검사는 피폭의 우려가 있으나 MRI는 아직까지 유해성을 논할 수 없다고 본다. 뇌신경계통의 검사나 골반부, 근육골격계에서는 그 침윤 정도를 보다 더 세밀하게 볼 수 있다. 그러나 폐결절(폐의 검사), 소아기계(복부검사), 급성외상에 의한 출혈(특히 교통사고 직후 검사)은 CT가 MRI보다 진단적 가치가 높다. 그러나 48시간의 혈액 응고시간이 지난 후의 교통사고 환자는 MRI가 좋다. MRI 검사를 받을 수 없는 분도 있다. 예를 들면 심박동기를 가진 환자, 심판막술을 받은 환자, 철성분이 강한 금속을 지니신 분은 자장의 영향을 받을 수 있으므로 곤란하다. 또한 MRI 검사는 약 1시간이라는 많은 검사시간 때문에 협조가 안되는 환자나 어린이의 검사는 필히 진정제를 투입하여 잠을 자는 상태에서만 검사가 가능하며, 기계 자체가 CT보다 커서 밀실공포증 환자도 어려움이 있다.

솔리톤

입자처럼 행동하는 고립파

에너지가 집중되어 안정한 덩어리로서 전파되어 가는 비선형 파동(非線形波動)이다. 솔리톤이 서로 충돌할 때에는 솔리톤은 부서지지 않고 서로 통과시키고, 매질에 불균일성이나 불순물이 개재되어 있어도 그다지 크게 산란되지 않고 그대로 전파해 간다. 이러한 뜻에서 안정하다. 일정한 깊이 h인 도랑 또는 운하에서 파동을 일으키면, 단 하나의 파동의 산마루가 모양을 바꾸지 않고 일정한 속력으로 전파한다는 것을 1844년 영국의 J.S.러셀이 실험적으로 발견하여 이것을 솔리톤이라 불렀다.

솔리톤 광 전송

광섬유 속을 전파하는 광 펄스에도 솔리톤으로 나타난다는 사실을 미국 AT&T 산하 벨 연구소의 연구 결과로 알게 되었다.
광섬유 속을 전파하는 광 펄스의 폭은 광섬유의 파장 분산에 의해 보통은 넓어진다.
그것은 단파장 쪽이 빨리 진행하기 때문이다.
그러나 이것이 솔리톤의 경우에는 폭이 넓어지지 않고 일정한 상태 그대로이기 때문에,이론적으로는 펄스의 폭을 무한정으로 좁게 할 수 있어서 전송 속도를 높일 수 있다.
광섬유 속에서는 펄스의 강도 등 어떤 조건에서 펄스 폭이 수축하는 위상 변조 효과가 발생한다.
이 펄스 폭의 수축과 확산이 균형을 이루게 되면 펄스는 형이 변하지 않는 광 솔리톤으로 된다.
또 광섬유의 광 손실로 감쇄되는 정도와 펄스 폭의 수축·확산을 미리 감안하여 송출하는 동적 솔리톤(dynamic soliton)은 1990년에 일본의 NTT가 발표하였는데,이것을 이용하는 것이 광 솔리톤 통신이다.
일본의 NTT와 KDD,미국의 AT&T,영국의 BT 등이 광 솔리톤 통신을 장래의 고속 대용량 통신 기술로서 연구하고 있다.
이미 20~100GHz는 실험실 연구가 완료되었다.
KDD는 1994년에 20GHz로 1만 km 전송하는 데 성공하였고,NTT는 1995년에 80GHz로 500km 전송하는 실험에 성공하였다.
한편 AT&T사는 이에 앞서 1993년에 20GHz로 1만 3천km 전송하는 실험에 성공한 것으로 알려지고 있다.