海洋佔據了地球70%以上的表面積,其蘊藏的巨量水資源,既是構成地球大氣層中水汽循環的重要組成部分,同時也為地球上生命的誕生和各種生物的發展演化提供了直接或者間接的物質支撐,可以說,如果沒有海洋,地球將不會是一顆充滿生機的星球。海洋對於人類來說,雖然與其它地外星體相比距離近在咫尺,但是卻與其它地外星體一樣,我們仍然有很多未知亟待我們去深入地進行探索。特別是我們對於深海的認知,還幾乎處於非常初級的認知範疇,之所以會是這種局面,來源於深海區域異常惡劣的自然環境,比如無邊的黑暗、超級的壓力、複雜的地貌等等。今天我們就來聊一個比較有意思的問題,那就是深海的壓力那麼大,金屬都能被壓扁,為何深海的魚類卻安然無恙。
我們在初中都學過物體在液體中的浮力這一物理現象,浮力的大小等於所排開液體所受到的重力,這也意味著物體無論是處於水的哪個高度,只要是懸浮在水裡,其受到的浮力都相同,即等於自身的重力,也等於排開液體受到的重力。但物體在液體中除了受到液體的浮力以及自身的重力以外,還會還到來自各個方向的壓力,這就是液體的壓力。這個壓力的計算公式為P=ρ*g*h,其中ρ為液體的密度,h為受壓點距離液面的高度。通過這個公式我們可以看出,在液體中懸浮或者沉沒的物體,其受到的壓力,與自身距離液體表面的高度值成正比,所處的位置越深,則液體壓力就會越大。比如在水中,每下沉10米,就會一個標準大氣壓,假如到達地球海洋的最深處-馬裡亞納海溝,其深度達到1100個標準大氣壓,也就是說在這個位置每立方釐米的物體表面,會承受1.1噸物體的重壓。
大家都知道潛水艇的工作原理,即根據調節艇的蓄水量來調節自身的重量實現的。根據阿基米德定律(浮性定律),當排開水的體積基本不發生變化之後,通過調節潛水艇自身重量,當浮力大於重力時便會上升,當重力大於浮力時便會下降。然而,在潛水艇上升或者下降時,根據前面對水壓影響因素的分析,艇身下潛的距離越大,其受到海水的壓力就會越強,而在潛水艇的內部,為了保障工作人員的身體健康,其內部基本上和地面上的標準大氣壓差不多,這就造成了潛水艇內外巨大的壓力差,因此艇身建造材料的堅固性、耐壓性、延展性成為決定著潛水艇性能最重要的決定性因素。比如前不久我國的蛟龍號的下潛至7000多米的深海時,經測量其艇身就縮短了好幾釐米,產生了較為明顯的形變。
既然金屬在深海裡都能被壓扁,那些深海魚類能夠倖免,其特殊的身體結構勢必會抵消或者適應這種極端的狀況。首先,深海魚類沒有像潛水艇以及人類身體裡那麼多的容納氣體的「空腔」結構,這樣就在一定程度上減少了身體內外所受到的壓力差,很多深海魚類甚至沒有像淺海或者淡水魚類那樣的魚鰾,或者魚鰾體積非常小而且發生不同程度的退化。魚的血管、神經纖維管、消化道等生理系統的支撐結構,所受到的內外壓力始終處於一種平衡狀態。
第二,魚的身體結構中的重要支撐單元,比如肌肉和骨骼都異常的柔軟,在這一定程度上也為巨大的水壓在身體上的作用提供了明顯的緩衝,從而避免了魚體與水壓之間正面的「硬扛」,起到了很好的保護作用。這也印證了那句話,就是越是堅硬的東西往往也是最脆弱的,比如牙齒是人體最堅硬的器官,往往也是最容易出問題的,反而不像柔軟的舌頭那樣遊刃有餘。
第三,組成深海魚細胞的細胞膜結構比較特殊,一方面蛋白質的結構單元較小,另一方面不飽和脂肪酸的含量較高,有利於海水成分的滲透,以及細胞結構活動空間的加大,在一定程度上也起到了「卸壓」和「緩衝」的作用。
第四,深海魚的皮膚通常都非常薄,有的甚至是一層薄薄透明的膜,這樣也非常容易使得外界海水與體內達到一定的壓力平衡。
從以上的分析我們可以看出,深海魚之所以能夠適應深海惡劣的環境,得益於它們特殊的身體構造,這是長期適應環境自然選擇並且持續進化的結果。由於深海魚和淺海魚身體構造的不同,它們在海洋中的棲息環境一般也不會發生重疊,截至目前,科學家們發現生活在海底最深的魚類,其棲息地距離海平面的數值為8100多米,這裡或許就是深海魚的下潛極限了。
那些被人類捕撈上來的深海魚,一出海面就可能在短時間內死亡,其主要原因就是其體內環境仍然處於深海的高壓狀態,從深海到出水所經歷的時間太短,以至於還沒有適應低壓環境,體內的高壓使得血管、內臟等重要器官發生急速膨脹甚至爆裂。