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October 26, 2020
皮卡丘的十萬伏特(增修版)
Dark Duck 在 YLib Blog 發表於 22:04:47
好的科學研究的第一步,就是要會問好的問題。關於皮卡丘「十萬伏特」絕招的科學討論,會因為命題不同,討論的方向也不同,物理命題看起來似乎比生物命題還要有趣一點。我們先來看看物理老師柳田理科雄的命題吧:皮卡丘放出的「十萬伏特」電擊是怎麼樣的致命威力呢?(2016年出版)

十萬伏特的「伏特」是電壓單位,電壓是電流通過的強度,電流是一秒鐘通過的電量(安培)。例如一伏特的電壓是1安培電流流過,2伏特電壓是2安培電流通過,3伏特就是3安培。電的能量由「電壓x電流」決定,與1伏特比較,2伏特的電壓就是2(電壓)x2(電流)=4倍,3伏特就是3x3=9倍。依此類推,十萬伏特的能量就是十萬x十萬=一百億倍。

遭受這麼大的能量電擊,會怎麼樣呢?像鐵一般的金屬,通過高壓的電流,電的能量會轉換成熱能。例如在直徑10公分、長1公尺的鐵棒加上十萬伏特電壓的話,會有八十億安培的電流通過,經過0.00000007秒後就會融化!那麼,如果是人類遭受十萬伏特電擊,也會有200安培的電流通過,全身的水分只要0.5秒就會沸騰,很可怕哦。

皮卡丘的「十萬伏特」特徵,是電流在空中飛舞。但是在現實世界中,通電需要導線(傳導物質)。無法導電的物質,只要超過某個界限,電流即可瞬間通過。空氣原本無法導電,但只要超過某個界限,火花般的電流即可在空中飛舞。這個現象又叫做「空中放電」,其中最具代表性的就是打雷,雷雲在空中放電打到地面的現象。雷雲在兩千到四千公尺的高度往地面空中放電,有一億到兩億伏特的電壓。以「雷」的現象來思考,雷電飛越一公尺需要五萬伏特,十萬伏特的空中放電經過計算有兩公尺的距離。

但是,在動畫或遊戲中,皮卡丘的電擊距離比兩公尺還要遠,如果皮卡丘想要電擊更遠的敵人,需要放出比十萬伏特更高的電壓才行。面對皮卡丘這麼強勁的對手,唯一的方法就是逃離電擊的範圍。但如果皮卡丘在後面追上縮短距離呢?皮卡丘有一個等級提升的絕招「高速移動」,配上「高速移動」,就逃不出電擊範圍,最強的神奇寶貝非皮卡丘莫屬了。

以上是「真有十萬伏特」的物理命題。當時已進入社會就職的我,比柳田理科雄老師先討論「皮卡丘的十萬伏特」問題(2014年的網誌),但是以生物命題來討論。以現實世界的生物來思考「生物是否能發出十萬伏特電力」,最後的結論是「不行」。幻滅是成長的開始,當時我的物理背景知識非常不足,柳田理科雄老師說得比較正確。來看看當時我的推理吧。

記得小時候很喜歡看科普書籍,尤其是翻譯自日本的科普漫畫,給小學生看的那一種,那時覺得科學好有趣啊!當時對漫畫裡介紹的電鰻印象非常深刻,電鰻平均發出五百伏特的電流,人誤觸水中的電鰻常被擊昏而淹死,會發電的動物真是危險。小時候讀這個很好玩,為什麼長大之後讀生理學反而感到艱深難懂,不能理解呢?最近因為重回神奇寶貝的懷抱,電力十足的皮卡丘又讓我想起小時候美好的讀書回憶。其實生物體都會產生電流,不管是動物還是植物,只是電流非常微弱罷了。會發出十萬伏特的皮卡丘是遊戲動漫裡的角色,我們從真實世界的生物們來了解生物發電,再把書復習一遍吧!(生質能源不在討論範圍)

在探討生物發電之前,先來了解一下「電」對人體的影響。高電壓(一千伏特左右)是會造成皮膚灼傷的,一般認為一百到兩百五十伏特的交流電最容易致命(台灣電壓是一百一十伏特),通過身體的電流有加熱身體組織和干擾神經系統(尤其是心臟)的效果,直接影響身體內部的肌肉收縮與心臟跳動。皮卡丘的十萬伏特,從雷電的等級來想像,會導致皮膚灼傷,也可能使心跳停止或神經中樞麻痺,最後導致死亡。小智能被皮卡丘電擊那麼多次沒事,是因為在動畫裡,在真實世界中是很危險的啊。

與其說生物會發電,不如說生物發電的構造就像化學電池一般,能夠蓄電,然後發出電力達成一些生理功能。為了讓大家能更容易理解,先提示一下化學電池的原理。化學電池是由電解液(帶電離子)構成,利用負極的氧化、正極的還原反應,經由電線連結得失電子(氧化失去電子,還原得到電子)而形成電流,將化學能轉換成電能。不用強記氧化還原,我們只需記得化學電池需要帶電離子,電流由正極流向負極即可。

我們身體的某些器官會受到電刺激,例如心臟、肌肉(骨骼肌)和神經系統,會受電刺激,是因為構成些組織器官的細胞帶電,能受電訊息傳導而控制其生理活動。簡單來說,生物的電荷藉由帶電離子的流動,而形成電流。從細胞構造來看,細胞膜是「半滲透性膜」,它會選擇性讓一些物質「可以」或「不能」從細胞膜進出,當然也包含一些帶電離子,這樣的特性通常讓細胞內外正負離子總量相等,也就是細胞內外的電荷總量相等,保持電中性。而受電刺激的組織器官的細胞本身卻帶有電荷,以心臟細胞為例,帶電的原因在於心臟細胞的細胞膜有一種特殊的鈉鉀幫浦,它會從細胞內排出三個鈉離子,從細胞外抓入兩個鉀離子,鈉離子和鉀離子都帶正電。持續主動運輸、排三入二的結果,使得細胞外趨向於正極,細胞內趨向於負極,細胞內外可以測得一個-90mV的電壓(膜電位),細胞變成帶電狀態。

怎麼讓電荷在細胞流動呢?同樣還是需要帶電離子,以心臟為例,心搏的電刺激是由竇房結開始的,當刺激傳導過來,細胞膜上的鈉離子通道會打開,原本排出去的鈉離子(正電)大量衝入細胞內,造成膜電位改變,細胞內的電荷由負轉為正。想像一下,正電往負電方向傳導,造成電流的流動,因此帶電離子的流動造成了生物的電流。原本正電的的部分如何再回復成負電呢?鈉鉀幫浦持續主動運輸、排三入二,讓細胞膜再度恢復成內帶負電、外帶正電的狀態即可(也可說是蓄電狀態),這樣就可以準備接受下一次的電刺激了。

電鰻的放電細胞是由肌肉特化而成。關於電鰻不會電到自己這點,除了生物老師提出的解答(脂肪組織的絕緣作用,水提供電流出口,身體體積較獵物大),也曾是台灣大學電機系轉學考普物的題目(驚),怎麼說呢?電鰻特化的放電細胞,在體內的排列是串聯與並聯(並聯了一百四十排左右)在一起,並聯會分散電流,雖然在電鰻體內只產生了2毫秒、五百伏特的電,但並聯的效果使得通過的電流少了兩個等級(10的2次方,一百倍?),所以沒有電到自己的效果。物理老師您太會設計題目啦~ (某些生物的放電細胞排列也很有趣,大家可以找資料來看)

皮卡丘發電的部位在臉頰,如果皮卡丘生在現實世界,使出十萬伏特的絕招時會不會電到自己呢?「水」是導電度良好的介質,「空氣」並不是,而且空氣電阻非常大,必須是極大的電壓使氣體分子被解離成「電漿態」,才能傳導電流。例如閃電的電流可達到數萬安培,一百萬伏特左右。皮卡丘的十萬伏特差了閃電一千倍,電壓不足以解離空氣分子,電流在空氣中無法傳導,因此無法在空中放電。依照柳田理科雄老師的說法,五萬伏特就可以傳導1公尺,皮卡丘的十萬伏特還是可以在空中放電,與我想像的「電漿態」不同,在此修正。能放出十萬伏特的皮卡丘,當然不會電到自己嘍!

生物會發展出「放電」的能力,就表示他的細胞排列一定不會電到自己。有紀錄最高可放電八百伏特的電鰻,是無法在空氣中放電的。以現有的生物為基礎,無論是天擇(物競天擇,適者生存),或是人擇(基因編輯),要進化到十萬伏特,還需要適當的環境與時間演化。理想與現實還是有差距的呀。

參考資料

1.《ポケモン空想科学読本1》,柳田理科雄 著,オーバーラップ出版
2.維基百科
3.科學人雜誌 – 電鰻如何發電?為什麼不會電到自己?
http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=columns&id=837
4.國中物理教材內容討論為什麼電鰻放電不會電到自己
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=5183
5.電鰻為什麼會放電? 水陸生物 小蕃薯 – 問號小博士
http://kids.yam.com/why/article/article312.html 6.生物发电_互动百科
http://www.baike.com/wiki/%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8F%91%E7%94%B5
7.生物电_互动百科
http://www.baike.com/wiki/%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%94%B5
8.機械有機體讓生物發電機成真 PanSci 泛科學
http://pansci.tw/archives/13726
9.《臨床生理學》 合記出版

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