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为什么鱼一死就漂在水面上,而仿生的潜艇炸了会沉没?

时间:2021-11-09     【转载】   阅读

鱼鳔是一个很有吸引力的东西,当然不是因为花胶鸡煲太好吃,也不是因为鲍参翅肚的名气太大,单纯就是因为它真的有点谜。


排除那些活在凡尔赛文学中的人,大多数人都是看过父母杀鱼的吧,菜刀一划,内脏一掏,就会看到一个白色略带透明的囊泡,也就是鱼鳔。

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如无意外,不管是教科书上还是父母说的还是老师教的,从来没有人不认为鱼鳔是鱼用来控制上浮和下潜的器官。经典的描述是这么说的:鱼通过改变鱼鳔的体积来控制浮力的大小,从而实现在水中的主动上浮和下潜。


我们在小学三年级就偷看过听过阿基米德洗澡和发现浮力原理的故事,知道浮力的大小和物体排开水的体积有关,确切的说物体所受浮力大小就等于其排开液体的重量。

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我们看着从鱼肚子里掏出来的鱼鳔,动了动小学三年级的小脑瓜一想,这鱼鳔柔软有弹性,就像个气球一样,用它来控制上浮和下潜很合理嘛。


300多年前,大家都是这么想的。这种理论最早被意大利佛罗伦萨科学院的教授们讨论,最终在1685年由波雷里教授正式提出,详细的说法与我们的常识一致,鱼鼓起鱼鳔上浮,压缩鱼鳔下潜。


这个理论有一个最致命的缺陷,它提出的鱼类主动控制鱼鳔的体积改变浮力,但却没有解释鱼类如何控制鱼鳔。


今天,我们对鱼鳔的解剖表明,鱼鳔的结构分三层,外层是坚韧透明的纤维组织,含有鸟嘌呤晶体不透气,中间层是结缔组织,由胶原纤维和弹性行为组成,最内层是上皮细胞,仅含有一些的血管。

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可见整个鱼鳔根本就没有肌肉组织,因此是不能主动改变体积大小的。这时候就可以提出另一个假设,鱼类是不是可以通过别的器官和结构给鱼鳔进行充气和放气呢?


这一点可以通过简单的生活经验来求证,我们自己杀鱼或者看父母杀鱼的时候,都会留意从鱼肚子里掏出来的鱼鳔不仅完整,甚至不会漏气,只有被煮熟后才会瘪下来,这说明很多淡水鱼的鱼鳔并没有明显的管道进行快速的充气和放气。

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实际上鱼鳔分为喉鳔类和闭鳔类,前者具有鳔管与消化道连通,有部分硬骨鱼的确能够通过鱼鳔来辅助呼吸,而后者的鳔管已退化,鱼鳔内的气体通过“分泌”的方式进入,非常缓慢。


根据资料显示,人为将鲑鱼鱼鳔内的气体抽出后,要经过4个小时才能重新充满,这个速度显然无法满足鱼类上浮和下潜的需要。


如果以上的生活经验还不够说服力的话,还有另一个更直观的证据。鱼可以主动给鱼鳔进行快速的充气和放气, 按照经典的理论,鱼在上浮的过程中需要补充空气,而下潜的过程中需要排出空气,可实际情况中,鱼既无法在水中吸入空气,也不会在下潜时吐气泡。

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更难以解释的是鱼的死亡,很多淡水鱼在死亡后都会出现腹部朝上浮出水面的现象,这与一般动物溺死后体内腐败产生气体还不一样。


在一些非法捕鱼中,比如电鱼炸鱼或者下毒,这些方法都能在短时间内甚至是一瞬间杀死鱼,而这些死去的鱼会迅速浮出水面,如果鱼类通过控制鱼鳔体积来实现上浮和下潜,就无法解释鱼死亡后上浮的现象。


而被认为是仿照鱼类设计的潜艇在中弹后或者失去动力后并不会自动上浮,反而有可能沉没,显然潜艇的上浮下潜原理并非我们认为的仿生学,或者说我们对鱼鳔的功能存在误解。

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其实关于鱼鳔功能的理论其实一直都存在异议,可能是因为这样的知识不值得深入且系统的论证,300多年来,鱼鳔控制沉浮的说法就这样被写入了教科书,成为了人们的一个常识。


2008年的时候,上海向明中学的黄曾新老师带领5名中学生成立了一个科研小组,就为探究鱼鳔的功能问题。如上述提到的一些无法自圆其说的点,中学生们也发现了传统理论的矛盾之处。


他们还发现了更多的一些证据,比如并非所有鱼类都有鱼鳔,比如软骨鱼类,鲨鱼就没有鱼鳔的结构,硬骨鱼也并非都有鱼鳔,我们常吃的罗非鱼就不具有普通的鱼鳔。

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显然帮助鱼类在水中上下自如游动的应该有其他装备,学生们认为鱼类主要还是依靠胸鳍和腹鳍的运动来达到在水中上浮和下潜的效果。


鱼鳔虽然不具有主动的调节能力,但它作为一个稳定的存在可以让鱼自身的重力与浮力被动地保持相对的平衡,从而节省能量。


具体来说,在鱼通过鳍的运动下潜时,鱼鳔因为压强增大而体积减小,越往下沉就浮力就越小,这种被动变化能够帮助鱼类下潜。

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同理,鱼类上浮时,鱼鳔因为压强减小而体积增大,越上升浮力越大。简单来说,鱼鳔的作用是让鱼整体与其栖息深度的水相似的密度,但这是一种不稳定的平衡,上浮或下潜都会打破平衡,需要耗费更多的能量回到平衡。


如果打一个简单的比方,就类似于放在坡顶的小球,往前或往后都会加速落下,只有顶部的小区域才能够保持平衡。如果把一条被麻醉昏厥的鲤鱼放在容器中,自然状态下它会浮在水面上,但在开口处加压模拟深水层的环境时,压强达到一定程度后,鲤鱼就会沉到底部。

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相反,深海中的鱼类迅速上浮就会,鱼鳔被动膨胀,以至于仅凭它们自己的运动很难重新回到深处,严重还会观察到鱼鳔胀破的现象。


比如渔民捕捞生活在十几米深的小黄鱼,很容易发现这些小黄鱼的鱼鳔几乎没有完整的,有的还会因为鱼鳔过度膨胀而把内脏挤出体外。


对于大多数鱼类来说,鱼鳔的作用并不是主动控制沉浮的升降器,而是一种调节器官,可以通过缓慢的进气排气来适应鱼类栖息的水层。

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但是对于底栖鱼类来说,鱼鳔的作用就比较小,一般会较为退化,另外一些长期快速游动的鱼类,如金枪鱼,鱼鳔也不发达。


对于某些生活在极浅水域的鱼,它们可能并不需要鱼鳔来调节浮力,但它们可能把鱼鳔玩出花来,非洲肺鱼每年都要经受旱季的挑战,在枯水时期它们钻入淤泥中,鱼鳔此时可以发挥类似“肺”的作用。


最后,鱼鳔也不仅仅是一件生存装备,也可以是求偶装备,比如石首鱼科的代表大黄鱼,它们通过鱼鳔和肌肉、脊椎骨的摩擦发出响亮的声音。

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长此以往它们的鱼鳔也进化得更加发达和厚实,终于成为了花胶鸡煲中的头牌食材。

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