מחקרים על השימוש שהצלופח החשמלי עושה בחשמל חשפו תובנות מרתקות על הפיזיולוגיה של היצור ועל התנהגותו

בקיצור

  • כבר זמן רב אנו יודעים שהצלופח החשמלי מהמם את טרפו במכת חשמל. עם זאת, המנגנון של מתקפת הצלופח והאופן שבו ההלם משפיע על הטרף נותרו עלומים.
  • סדרה של ניסויי מעבדה חשפה איך היצור משתמש בשדות חשמליים כדי לזהות את הטרף, לאתר ולשתק אותו.
  • הצלופח משתמש בכוחותיו החשמליים גם בתגובה לאיום, וקופץ מהמים כדי להעצים את הזרם שהוא מעביר לטורף פוטנציאלי.

אין זה סוד שצלופחים חשמליים מהממים את טרפם – עדויות על כך קיימות כבר מאות שנים. אבל אם אינכם אנשי אבטחה בספינת החלל "אנטרפרייז" , "להמם" הוא מושג מעורפל למדי עבורכם. מה באמת קורה כשהיצורים הללו תוקפים?

עד לאחרונה ידעו הביולוגים מעט להפליא על כוח העל של הצלופח החשמלי. גם אני לא התכוונתי לחקור את התופעה הזאת, וכמובן גם לא העליתי בדעתי להציע לצלופח את זרועי בשם המדע, כפי שאכן עשיתי בסופו של דבר. אבל בתור מרצה לביולוגיה באוניברסיטת ונדרבילט, אני מלמד על דגים חשמליים, וכשהבאתי צלופחים למעבדה כדי לצלם עוד תמונות וסרטונים בהילוך איטי שישדרגו את ההרצאה שלי, מה שראיתי היה מוזר עד כדי כך שהייתי חייב לעזוב הכול ולחקור.

כשצלופח תקף את טרפו במתח גבוה, כל הדגים הקרובים במכל נעצרו במקומם בתוך שלוש מילישניות בלבד. היה נדמה לרגע שהם הפכו לפסלונים; הם פשוט צפו ללא ניע במים. בהתחלה תהיתי אם הם פשוט מתו. אבל אם הצלופח החטיא את מטרתו וכיבה בעקבות זאת את המתח הגבוה, הדגים "הפשירו" ונסו על נפשם במהירות. ההשפעה של הצלופח הייתה זמנית. זה היה מרתק. הייתי מוכרח לדעת איך פועלת ההתקפה החשמלית של הצלופח.

האנלוגיה הברורה ביותר שעלתה בדעתי הייתה אקדח הטייזר של המשטרה, שגורם לשיתוק עצבי-שרירי בכך שהוא משבש את יכולת מערכת העצבים לשלוט בשרירים. טייזרים מעבירים חשמל דרך חוטים בפעימות קצרות (פולסים) של מתח גבוה בקצב של 19 פעימות בשנייה. צלופחים חשמליים אינם זקוקים לחוטים, כי המים מוליכים זרם חשמלי, כפי שקורה כשמייבש שיער נופל לתוך אמבטיה.

אבל מעבר לזה, התוצר של הצלופח מזכיר את הטייזר: הוא מגיע בפעימות קצרות, שכל אחת מהן נמשכת כשתי מילישניות. ועם זאת, צלופחים יכולים לייצר יותר מ-400 פעימות בשנייה במטח התקפי אחד – הרבה יותר מהר מאמצעי השיטור. האם הצלופחים החשמליים הם טייזרים משודרגים שיודעים לשחות?

צלופחים חשמליים. מסע מרתק של שלוש שנים | צילום: שאטרסטוק

עם השאלה הזו בראשי, יצאתי למה שהפך למשימה תלת-שנתית לחשיפת המנגנון של מתקפת הצלופח והשפעת ההלם שלו על טרפו ועל טורפיו גם יחד. שוב ושוב הופתעתי מהשימוש המתוחכם שהצלופח עושה בחשמל, ושוב ושוב הבנתי שהמצאותיו של המין האנושי לא מגיעות לקרסולי ההמצאות של הטבע.

מכת הלם

אולי תופתעו לשמוע שהצלופח החשמלי איננו באמת צלופח, אלא שייך למשפחת דגי הסכין הערומים (Gymnotidae) החיים בדרום אמריקה. בני המשפחה האחרים מסוגלים לייצר פריקה חשמלית קלושה שבה הם משתמשים כדי לחוש את סביבתם וכאמצעי תקשורת. הצלופח החשמלי העצים את כוחו במהלך האבולוציה. הוא יכול לייצר מתח של עד 600 וולט, הודות לאיבר חשמלי שאורכו כמעט כאורך גופו (בעל החיים יכול להגיע לאורך של 2.5 מטרים ולמשקל של יותר מעשרים קילוגרם). האיבר מורכב מאלפי תאים דמויי דסקה בשם אלקטרוציטים, שעובדים כמו סוללה הפורקת חשמל.

על מנת לבחון את האפשרות שהצלופח החשמלי פועל כמו טייזר כדי לשתק את טרפו, הייתי צריך לצפות בו משחר לטרף. אז תכננתי ניסוי שניצל את התיאבון הבלתי נלאה של הצלופחים לשלשולים. ראשית הנחתי במים דג מת שעדיין היו לו עצבים ושרירים מתפקדים בחברת הצלופח (אך מופרד באמצעות מחסום חדיר לחשמל) וחיברתי אותו בחוט למתקן שמודד התכווצות שרירים. לאחר מכן האכלתי את הצלופח בשלשולים, שאותם הוא הימם ואכל בתיאבון. המערך הזה אִפשר לי לבצע סדרה של מבחנים על תגובת שרירי הדג לפעימות המתח הגבוה המתפשטות מהצלופח הטורף.

מטחי פעימות המתח הגבוה מהצלופח גרמו לדג התכווצויות שרירים חזקות שהחלו שלוש מילישניות אחרי תחילת המתקפה החשמלית – בדיוק אותו פרק זמן שעבר לפני שהדגים נצפו עוצרים במקומם בסרטוני ההילוך האיטי. כנראה הצלופחים המציאו את הטייזר הרבה לפני בני האדם. אבל הניסויים הראו הרבה יותר. התברר שהצלופחים לא מפעילים את שרירי הדג ישירות. במקום זאת מתקפותיהם מפעילות את העצבים שמובילים לשרירי הדג. כל פעימה של מתח גבוה מהצלופח מייצרת פוטנציאל פעולה, או פעימה עצבית, בעצבי התנועה של הדג.

הממצא הזה ראוי לציון אם לוקחים בחשבון שאיבר החשמל של הצלופח הוא עצמו שריר שעבר התאמה ומופעל בידי עצבי התנועה של הצלופח עצמו. עצבי התנועה מופעלים בתורם בידי תאי עצב במוח. בכל פעימה של מתח גבוה, זרימת אותות ההפעלה מתחילה במוחו של הצלופח ונודדת אל עצבי התנועה, שמפעילים את האיבר החשמלי. משם האות עובר במים ומפעיל את עצבי התנועה, ואז את השרירים, של דג סמוך. במילים אחרות, הצלופח עוצר את טרפו באמצעות מעין שלט רחוק מדויק.

באופן מסקרן, התובנה הזו מעלה את האפשרות שהפלט החשמלי של הצלופח אולי התעצב בחלקו בהתאם למה שקורה בשריר של טרפו. לאור הממצא הזה התחלתי לחשוב בצורה אחרת על מטחי המתח הגבוה של הצלופח. במיוחד סקרנו אותי דיווחיו של חוקר קודם, ריצ'רד באואר (Bauer), שהראה ב-1979 שצלופחים חשמליים משתהים לפעמים במהלך ציד כדי לשחרר צמדי פעימות של מתח גבוה, בהפרש של שתי מילישניות זו מזו. את הזוגות הללו כיניתי צמדאים (Doublets), וכל הצלופחים במעבדתי הציגו אותה התנהגות. לשם מה, תהיתי, נדרשים הצמדאים?

צלופח חשמלי, איור משנת 1860 מאת ג'ורג' ברטלט פרסקוט | מקור: Photo Science Library

מחקר קטן של הפיזיולוגיה של שרירים גילה שצמדאים – שאפשר לתאר אותם גם כזוגות של פוטנציאלי פעולה – אשר נשלחים מתאי עצב תנועתיים לשרירים, הם הדרך הטובה ביותר לייצר מתיחות מֵרבית בשריר. בהתאם לכך הניסויים שלי הראו שהצמדאים של הצלופח גורמים לטרף הקרוב ביותר עווית כל-גופית קצרה וחזקה בטרף הקרוב, בניגוד למטחים, שגורמים לשיתוק מתמשך. העווית, בתורה, מעוררת העתקת מים חזקה, שהיא בעצם גל קול תת-מימי.

אם לוקחים בחשבון עד כמה הצלופח רגיש לתנועות מים קלות ביותר, עולה אפשרות מעניינת. האם ייתכן שצמדאים הם דרכו של הצלופח לשאול "האם אתה בחיים?". אחרי הכול, בטבע הצלופחים צדים בלילה באמזונס, כשהם מוקפים במגוון רחב של נטרפים פוטנציאליים שמסתתרים מפניהם – דברים שהרבה יותר קשה למצוא מאשר תולעים ודגיגי זהב המושלכים לתוך מכל.

בתמיכה לרעיון הזה: כשהצלופחים במעבדתי צדו טרף חדש, כמו סרטני נהרות, או טרף שהתחבא בין הצמחים במכל, הם פלטו מדי פעם צמדאי בודד בזמן החיפוש, ותקפו כשהטרף הגיב בעווית, כאילו תנועת הטרף פיתתה אותם. מדובר רק בחופן תצפיות, אך כדי לספק ראיות ישירות יותר הצמדתי את הדג המת למתקן גירוי חשמלי שיכול לפעול בשליטתי או על ידי הצמדאים של הצלופח. בנוסף, הנחתי את הדג המחווט בשקית סגורה כך שצמדאי הצלופח לא ישפיעו עליו. באמצעות המערכת הזו יכולתי לקבוע מתי שרירי הדג יתעוותו. ואכן, הצלופחים לא המשיכו בהתקפה אחרי צמדאי אם הדג לא הגיב בעווית. מצאתי שהצלופחים תוקפים בתגובה לתזוזה של הדג הנובעת מהצמדאי ששיגרו בעצמם.

לפיכך, לצלופח החשמלי יש שני מצבים של שליטה מרחוק, והשילוב של שניהם יוצר אחת משיטות הציד הערמומיות ביותר בממלכת בעלי החיים: הוא יכול לחשוף טרף במחבואו בכך שהוא גורם לו לזוז, ויכול לעצור את תנועתו של הטרף לאחר שהתגלה.

מצב תקיפה
כמו טייזר, הצלופח החשמלי משחרר בשעת ציד פעימות חשמל כדי לשתק את טרפו. מכות החשמל מפעילות את עצבי התנועה השולטים בשרירי הטרף. אפשר לומר שהצלופח שולט כך בטרפו מרחוק. הוא משתמש ביכולת הזאת בשתי דרכים: הוא חושף כך טרף שמסתתר ממנו על ידי העווית שהצלופח גורם לו, ואז מקפיא את הקורבן במקומו ברגע שאותר, כדי שלא יברח. הצלופח יכול להשתמש בחשמל גם כדי לעקוב אחר טרף בתנועה.

תרשים מתוך כתב העת Current Biology, גיליון 25(22)

מכפיל כוח

שליטה מרחוק בבעל חיים אחר היא יכולת מגניבה בהחלט, אבל זה לא התעלול היחיד של הצלופח. היצור הזה גם מצא פתרון מבריק לבעיה יסודית הנוגעת לפלט חשמלי. בשונה מגיבורי-על וקוסמים שיכולים לכוון את חזיזי הברק שלהם, כל פעם שהצלופח משחרר פעימת מתח גבוה, החשמל מתפזר במים מסביב. כתוצאה מכך רק שבריר קטן של ההספק העצום של הצלופח מגיע לטרף.

הפיזיקאי והכימאי האנגלי מייקל פאראדיי, שעבד במקרה עם צלופחים חשמליים ב-1838, הציע דרך נוחה לדמות את הבעיה: השדה החשמלי של הצלופח הוא כביכול דו-קוטב (דיפול), עם קווים שמייצגים כוחות על מטענים חיוביים הנובעים מהראש הטעון חיובית ומתכנסים אל הזנב הטעון שלילית. צפיפות הקווים משקפת את עוצמת השדה החשמלי בכל נקודה; הוא חזק במיוחד בקטבים ופוחת במהירות ככל שמתרחקים מהם.

בשיעור מבוא לפיזיקה לומדים שכאשר מקרבים את הקוטב השלילי לקוטב החיובי מגדילים מאוד את עוצמת השדה שביניהם. הצלופחים לקחו כנראה קורס בפיזיקה, כי הם משתמשים במהלך הזה על טרף קשה, שלא נכנע. הצלופח אוחז את הקורבן בלסתותיו בחוזקה ומפתל את הזנב (הקוטב השלילי) מסביב לו לפני שהוא משגר אליו מטח של מתח גבוה.

עוצמה מרוכזת
השדה החשמלי של הצלופח הוא מה שפיזיקאים מכנים דו-קוטב: קווים שמייצגים כוחות על מטען חשמלי חיובי יוצאים מהראש החיובי של הצלופח ומסתיימים בזנבו השלילי. צפיפות הקווים מייצגת את עוצמת השדה החשמלי בכל נקודה. כשמקרבים את הקוטב החיובי לקוטב השלילי, עוצמת השדה שביניהם גדלה. הצלופח מסובב לשם כך את זנבו סביב הטרף שהוא אוחז בפיו, ואז מחשמל אותו.

איור מתוך Science, גיליון 346

כדי למדוד את השפעת התמרון של הצלופח עיצבתי "צעצוע לעיסה" לצלופחים – זוג אלקטרודות מדידה על מאחז פלסטיק בתוך דג מת. הצלופחים אחזו במתקן, ואני נענעתי את הכבלים המחוברים אליו כדי לדמות מאבק. הצלופח נענה, התלפף סביב הצעצוע והימם את האלקטרודות. כצפוי, עוצמת השדה הוכפלה ואף למעלה מזה. זאת אסטרטגיה מצוינת, שמאפשרת לצלופח למקד את ההספק הקבוע שלו במטרה, כמו שממקדים את ההספק הקבוע של פנס לנקודה בהירה אחת.

מה שקרה לטרף היה צפוי אך עדיין מעורר מורא. ניסויי המשך הראו שהמתקפה המשודרגת של הצלופח גורמת לשרירים להתכווץ בקצב גבוה בהרבה מהרגיל, וכך מתיש לחלוטין את הטרף בתוך שניות ספורות. זוהי המקבילה החשמלית לרעלן עצבי, והיא נותנת לצלופח הזדמנות לתפוס ולהכניע חיות שאלמלא כן היו מסוכנות, כמו סרטני נהרות גדולים בעלי צבתות.

לא רק נשק

במחקריי על שיטות הציד של הצלופח הבחנתי במשהו שגרם לי לתהות אם ההלם עשוי לשמש למשהו מעבר לנשק בלבד. כשצלופח יוצא לצוד קורים לרוב שלושה דברים. ראשית הוא משחרר מטח מלא של פעימות במתח גבוה, ואז מסתער במהירות אל הטרף ושואב אותו אל פיו. אולם בניסויים שלי, כשגרמתי לדג המת עווית בתוך שקית הפלסטיק המבודד, מתקפת הצלופח נקטעה תמיד באיבה. הצלופח שחרר את מטח המתח הגבוה והסתער על הדג, אבל החמיץ את המטרה וויתר על התקיפה בלי נשיכת השאיבה-אכילה הסופית. מדוע?

במקור הנחתי שהתקיפה של הצלופח הייתה "בליסטית" – אירוע מתוכנן מראש ללא משוב חישתי. אך עכשיו התעורר בי הרעיון שאולי הם משתמשים בפעימות המתח הגבוה כמערכת מעקב. זה מסביר מדוע הם התעלמו מטרף שהיה מבודד מאחורי פלסטיק. הצלופחים החשמליים התפתחו מדגי חשמל חלשים יותר שנעזרו בחשמל כדי לנטר את סביבתם, והם שימרו את הפלט החשמלי החלש, בעל המתח הנמוך, המשמש לחישה. למה שלא ישתמשו גם במתח גבוה בשביל לחוש?  החלטתי להעמיד את האפשרות הזאת במבחן.

ניצלתי לשם כך את תכונות המוליכות של הטרף ואת התנהגות הצייד האגרסיבית של הצלופח. חיות שקועות במים נוטות להוליך חשמל טוב יותר מהמים עצמם, אז הצלופח החשמלי מתעניין במיוחד במוליכים, מכיוון שהם נושאים את ה"חתימה" של יצור חי. זִכרו עם זאת שהצלופח מסוגל לזהות, ואכן מזהה, מוליכים באמצעות מערכת המתח הנמוך שלו, שפעילה באופן קבוע עד שהטורף עובר למתח גבוה בזמן התקפה. כדי לבחון ספציפית חישה חשמלית באמצעות מתח גבוה היה עלי לבדוק את התנהגות הצלופח בהילוך איטי במהלך תקיפה, כשמערכת המתח הנמוך מושבתת ורק מערכת המתח הגבוה פעילה.

הניסוי הראשון והפשוט היה להכניס לאקווריום מוט עשוי פחמן, מוליך אינרטי, לצד הדג שבתוך שקית הפלסטיק בזמן שהוא חווה עווית. כמו בעבר, הצלופח תקף כשהוא זיהה את תנועת המים כתוצאה מהעווית, וזינק לעבר השקית שבה היה הדג המבודד. אך הפעם הצלופח שינה את מסלולו באמצע וניסה לאכול את מוט הפחמן באמצעות מתקפת שאיבה-אכילה מלאה.

זאת הייתה נקודת פתיחה טובה, אבל הייתי צריך ראיות נוספות. פיתחתי עוד מבחנים, עם מוטות פחמן ומוטות פלסטיק רבים כדי לשלול את האפשרות שחוש הראייה משחק פה תפקיד. כל פעם מחדש הצלופח תקף את המוליך העשוי פחמן תוך שהוא יורה מטחים של מתח גבוה. המבחן האולטימטיבי היה כשהצגתי לצלופחים דיסקה מסתובבת במהירות שעליה מוליך קטן אחד, לצד סדרה של עצמים זהים למראה שאינם מוליכים.

ביצועי הצלופחים היו מדהימים: הם איתרו ותקפו את המוליך תוך יריית מטח של מתח גבוה במהירות ובדיוק שאין כדוגמתם אצל בעלי חיים המשתמשים בחישה חשמלית פעילה. לא נותר מקום לספק – הם השתמשו במתח גבוה בעת ובעונה אחת כנשק וכחלק ממערכת חישה למעקב אחר הטרף. ההערכה שחשתי כלפי הצלופחים גברה מיום ליום. ומזל שכך, כי התעלול הבא שלהם כוון אלי.