為什麼深海魚類活動自如,人類卻無法承受深海壓力?

2020-12-17 時空通訊

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先來弄清楚什麼是「壓力」和「壓強」。

所謂壓力,是指兩個物體接觸表面的作用力。比如我們用手壓在桌子上,這個桌子被接觸的表面就承受了壓力,如果桌面是柔軟的,就會被壓出一個凹坑。

這種壓力是局部的,接觸式的。

壓力的計算公式為:壓力=壓強×受力面積(F=pS)。

壓力的國際單位叫「牛頓」,簡稱「牛」,符號為「N」;

「壓力」一詞與物理學中的"壓強"同義。

壓強的國際單位叫「帕斯卡」,簡稱「帕」,符號為「Pa」。

換算:1帕(Pa)=1N/㎡;

我們通常說的一個大氣壓等於:

1大氣壓(atm)=101325帕(Pa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/平方英寸(psi)=1.0333千克/平方釐米(kg/c㎡)=1.0133巴(bar)。

氣壓和水壓的特點。

氣體或液體對於固體的壓力,是一種垂直作用力,尤其在空氣中和水中,這種壓力是來自四面八方,垂直均衡於被壓物體的每一個位置的。

如我們在地表接近海平面的地方,每時每刻都在約1個大氣壓的狀態下,也就是我們全身的皮膚每一平方釐米都垂直均衡的承受著1公斤壓力。

我們沒有感到什麼壓力,反而很舒服。

我們常用一個詞來形容很激動或情緒高漲,就是熱血沸騰。

但嚴格的說,如果一個人真的熱血沸騰就只有死翹翹了。這種情況就是發生在突然減壓的情況下,如果覆蓋在人體上的一個大氣壓突然沒有了,人就真的「熱血沸騰」了。

這個時候,我們身體裡的液體和氣體就會膨脹起來,從身體各個孔洞溢出,甚至從皮膚迸發出來,這種情況下,豈有活命之理?

比如在月球接近零氣壓的狀態下,就是這個樣子。

這說明人體適應了這種壓力,體內有一個大氣壓的能量與體外氣壓抗衡。如果失去這種平衡,就等於體內有101325帕的壓力必須釋放出來,人體薄薄的皮膚是無法阻擋每平方釐米1公斤的壓力的。

而且大氣壓這種壓力是均衡垂直的壓在每一點皮膚上。

大氣壓就像在人的全身包裹了一層薄殼,與身體壓力抗衡。

我們想像一下,如果這種壓力並不均衡,會是什麼狀態?

一個正常的成年人,皮膚約1.5~2個平方米,也就是1.5萬~2萬平方釐米,一個大氣壓下承受的總壓力達到1.5萬~2萬公斤,如果這些壓力只集中在身體的任何地方,比如頭頂、四肢、胸膛或屁股,能夠承受嗎?

而且那些沒有了壓力的位置,又要「熱血沸騰」了。

這就是氣壓的特性。根據這個特性我們可以看出,抵禦壓力的方式有幾點:

一是內外壓差要平衡;二是壓力作用於物體是均衡垂直。

做到這幾點,物體或生物就能夠承受足夠大的壓力。

我們還可以隨時測試一下很薄弱物體承受均衡垂直壓力的能力。

雞蛋殼很薄,兩個指頭一捏,就會碎裂。但如果你把雞蛋放在掌心,用手掌包裹住雞蛋,均勻用力,力求做到垂直均衡作用於蛋殼每一點,哪怕你使出吃奶的力氣,也無法握碎這個雞蛋。

我做過這個實驗,完全可以證實這個道理,不信你也做做看。

這個原理用在建築工程學上,叫做『薄殼結構"。建築師根據這種「薄殼結構」特點,設計出了許多既輕便又省料又牢固的建築物。

人民大會場、許多現代火車站、首都機場、國家大劇院、雪梨歌劇院、以及剛竣工的大興機場等都是利用這種原理的建築。

作了這麼多鋪墊,現在我們來說說深水魚。

其實,看了上述的一些解釋和案例,就應該大致了解深水魚為什麼能夠承受較大壓力了。

首先,這些深水魚是在深海中孕育生存活動的,經過長期進化演化,它們的機體生理機能已經適應了深海壓力。

深海魚類相對淺海魚類,骨骼變薄,容易彎曲;肌肉組織變得特別柔韌,纖維組織變得很細密,這使它們不但能夠在深海生存,還能夠在巨大的壓力下靈活自如;

其次,這些魚的皮膚變成非常薄的層膜,可以滲入水分,使魚體內充滿水分,這樣保持了體內外的壓力平衡。

有了這兩個武器,深海魚就能夠承受巨大壓力而活動自如。

但深海魚只能夠活動在深海,如果在到了淺海或者被捕撈上船,就受不了低壓狀態,像前面說的人到了月球就會「熱血沸騰」死翹翹。

這也是人們很難吃到深海活魚的原因。

但有一種魚既可以在深海活動,也需要在淺海透氣。

這就是巨大的鯨魚,比如抹香鯨。

鯨魚實際上算不上真正的魚類,因為它們都是哺乳動物,需要肺來呼吸空氣,而不像魚通過魚鰓來提取水中的氧氣,完成血氧交換。

抹香鯨既要在海面上呼吸空氣,又要潛到深海捕捉大王烏賊為食,有時要潛到2000多米的深海,它是怎麼做到的呢?

原來,抹香鯨的身體結構也像深海魚類一樣,骨骼和肌肉纖維、皮膚都適用了深海的活動,不同的是鯨魚用肺呼吸,如果不處理好,肺部就會受損。

鯨魚的肺部有一個獨特的結構,隨著下潛深處,會逐步縮小,把氣體都集中到氣管、支氣管中,鯨魚的氣管和支氣管外面有堅硬的骨骼包圍,這樣就能抵禦深海水壓了。

而且鯨魚在水中長時間工作時,並不完全是靠肺部儲存的氧氣,而是當肺部氧氣用完,鯨魚可以調動自己身體肌紅蛋白貯存的氧氣續命,抹香鯨的肌紅蛋白貯氧能力是其他動物的約6倍。

這就是深海魚類不被海水高壓壓癟的原因。

其實在深海,最怕壓力的是氣體,而不是堅硬的固體。

我們知道潛水艇突破設計的深海警戒線時,厚厚的鋼板都會被壓癟,壓碎。其實這並不是鋼板本身吃不消,而是潛水艇裡是空的,充滿了氣體,而氣體是最容易被壓縮的。

我們隨便丟一個鵝卵石到海裡,它掉到12000米深的馬裡亞納海溝,也還依然是一個鵝卵石,絲毫也不會被壓癟或者壓碎。

但如果這個石頭裡存有密閉氣體,就很難說了。

在巨大的壓強下,剛體物質在壓力不平衡狀態下,只能向氣體一邊變形,這樣就只能被壓破壓碎了。

如果一艘潛水艇裡面灌滿水,就不怕壓了,到達再深的海溝,也不會被壓癟。因為它的內外壓差平衡了。很多海底沉船除了破洞,其餘部分還能夠保存完好就是這個道理。

現代的深潛器之所以能夠在萬米海溝活動,是因為做得很小,鋼板很厚,足可以抵擋巨大的壓力。但深潛器要活動,要坐人,就必須有接縫和機械臂,如何做好這些接縫能夠承受巨大壓力,才是高科技所在。

因此不是隨便哪個國家哪個機構就能夠做到的。

人之所以潛水深了就出現問題,是因為人的肺泡裡充滿了氣體,機體組織和血液都只適應1個大氣壓,到了深海當然就被壓癟了。

人類的潛水活動一般也就在幾十米深,最多100米左右。

但也有很深的潛水記錄。

人類徒手深潛記錄(沒有裝備)是法國探險家吉翁·奈瑞創造的,2006年他在法國尼斯的Villerfranche-sur-Mer創下了113米的深潛記錄;

創造裝備深潛記錄的是41歲的埃及人阿梅德.加布爾,2014年,他在紅海的Dahab創下了332.35米記錄。

他用了12分鐘就到達了這個深度,而上來卻用了15個小時!

這是為什麼?

因為要克服突然減壓的危險。

這些只能是個案,人類絕大部分帶裝備潛水活動也只能限定在100米深上面範圍。

一般人類在海裡面徒手潛泳的水深在1~3m之間,普通人裝備潛水,一般會被要求在20米以內。稍微專業的水肺潛水最多也就是40m左右。受過專業訓練的技術性潛水,其界限100m左右。

即便在這種深度活動久了,也需要高壓氧艙的幫助。

因為隨著每增加深度1米,人體承受的壓力就要增加0.1個大氣壓,而深潛到50米,就增加了5個海平面大氣壓,100米增加了10個大氣壓。也就是人體每平方釐米增加了5~10公斤的壓強。

我們家裡使用的高壓鍋只是在1個大氣壓環境下增加了4~8KPa的壓力,也就是還不到1個大氣壓,如果發生洩漏爆炸威力也是驚人的。

因此為了適應深水壓力,下去前就需要在高壓氧艙對潛水員緩慢加壓;上來後,為了適應正常地表壓力,又要在高壓氧艙給潛水員做緩慢減壓。

這是因為深潛上來,人體肺部和耳鼻等空腔中,會充滿著與深水氣壓相同的氣體,如突然快速減壓,這些氣體會劇烈膨脹爭著排到體外,而氣道很小,一下子很難排出,膨脹的氣體就會憋壞人體組織,甚至撐爆組織造成死亡。

人體承受的壓力越大,吸進的氣體在血液中溶解飽和度越高。突然減壓,血液中的氣體就會釋放出來,這些氣體一下子排出不到體外,膨脹積存在體內,損害機體組織,就會得減壓病,包括血栓、痛風等後遺症,貽害終身。

由此可見,人體是在地表生存很嬌貴的動物,要有各種保護,才能夠上天入地。好在人類聰明,有足夠的能力製造出各種工具,可以走向深海,走向太空。

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