闢謠：人類才會水肺潛水？不，蜥蜴、蜘蛛、昆蟲也會自製氧氣瓶

技術延展了人類的腳步，讓我們藉助外力上天下海，開拓單憑肉身無法企及的領域。

你背上氧氣瓶，縱身躍入海洋，即使沒有魚鰓，也能自由呼吸。攜帶水肺的你，像魚兒一樣在珊瑚礁間穿梭，像螃蟹一樣在海底沙礫上橫行。不過水肺潛水可不是你的專利，很多沒有鰓的動物也有自己的外用氧氣瓶。

說起水中呼吸，靠鰓換氣只是一種方式。其它呼吸辦法還有：靠憋氣，用體內儲存的氧氣呼吸，比如鯨和企鵝。靠皮膚換氣，比如海蛇和海星。另外一種呼吸方式，跟我們一樣，不依靠自身呼吸天賦，而是依靠外援，外帶氧氣瓶下水，比如蜥蜴、蜘蛛、昆蟲。

上圖是哥斯大黎加蜥蜴的水下照片，它頭上頂著外帶氧氣瓶。水蜥蜴（Anolis aquaticus）生活在山林溪水邊，奔跑的速度並不快。跑不過天敵沒關係，它有一個避敵絕招：藏到水裡。

美國賓漢頓大學團隊拍攝到水蜥蜴在溪水裡，依靠頭頂上的空氣泡吞納吐息。它的空氣泡有點兒像你的鼻涕泡，隨著氣體的呼出吸入而擴大縮小。水蜥蜴在溪水裡安靜地呆了16分鐘，發現攝影師後轉身逃走了。如果沒人打攪，依靠頭頂空氣泡，它在水裡停留的時間遠遠超過16分鐘。

水蜥蜴下水不僅僅為了逃避捕食者，它潛水時還會捕食昆蟲，團隊在它的胃裡發現了很多水生昆蟲。趴在水底時，氣泡穩穩地駐紮在水蜥蜴的頭頂。呼吸吐納之間，氣泡既不會破裂，也不會飄離皮膚。團隊對水蜥蜴的觀察剛開了個頭，水蜥蜴怎樣控制氣泡的研究正在進行之中。

雖然水蜥蜴的水下空氣泡研究剛開始，但另外一種動物的外帶空氣泡已經被分析得很全面了，它就是我們熟悉的水蜘蛛。相比水蜥蜴的小氣泡，水蜘蛛的氣泡要大得多。有些蜘蛛甚至在水下建造一個空氣站，依靠氣站，可以整天住在水裡不上岸。

水蜘蛛

水蜘蛛（Argyroneta aquatica，也叫潛水鐘蜘蛛）很常見，足跡遍布歐亞大陸，生活在乾淨的湖泊池塘之中。

找片波瀾不驚的平靜水域，水蜘蛛下水安家過日子。在水草間用蛛絲編制一張網，網上掛上一個空氣泡。布置妥當後，水蜘蛛爬上蛛網，肚皮貼著空氣泡，安安靜靜地等著小蟲小魚小蝦米自投羅網。

水蜘蛛橢圓形的空氣泡像口小鍾，開口朝下，鐘面晶瑩剔透。它的空氣鍾跟水蜥蜴的空氣泡有點兒不一樣，水蜥蜴的氣泡靠水的表面張力形成，加一點兒外力擾動，很容易破損。而空氣鍾是水蜘蛛用蛛絲和一種蛋白質水凝膠編織成的，像你用泡泡糖吹出的泡泡，有彈性能持久。

空氣泡只能隨身攜帶，空氣鍾卻能固定安置在水下蛛網上。當空氣鍾裡的氣體用完後，水蜘蛛浮到水面上，隨身帶個小氣泡充點兒氣，然後下水回到空氣鍾，補充裡面的氣體。

上圖左邊是一隻水蜘蛛隨身攜帶的小氣泡，右邊是水蜘蛛掛在蛛網上的空氣鍾。空氣鐘有大有小，一般根據蜘蛛的身材匹配尺寸，大個頭的蜘蛛用大鐘，小個頭的用小鍾。空氣鍾並不是封閉的球體，它像掛鍾一樣，底部開口。小的空氣鍾開口處只夠蜘蛛把肚皮放進去，大的空氣鍾像個房間，整隻蜘蛛都能住在裡面。當雌蜘蛛要產卵時，會建造一隻像蠶繭一樣的大空氣鍾，這是它的育嬰室，雌蜘蛛在裡面產下30～70枚蛛卵。

上圖是雌蜘蛛的空氣鍾。空氣鐘不僅能儲存空氣，還能跟周圍的水進行氣體交換。鐘壁是一層透氣不透水的薄膜，依靠內外氣體分壓差的驅動，空氣鍾內的二氧化碳會擴散到水裡，水裡的氧氣能進入到空氣鍾內。不過內外氣體交換並不均衡，空氣鍾內的氣體濃度和體積會慢慢改變。當氧氣進來，二氧化碳排出的時候，鍾內的另一種氣體，氮氣，也會從空氣鍾內擴散到水裡。排出的氣體多過進入的氣體，隨著時間流逝，空氣鐘的體積越縮越小，鍾內的氧氣濃度也越來越低。這時候蜘蛛會回到水面上，攜帶空氣來補充它的水下氣站。

水蜘蛛補充氣體的時間間隔是多久？溫度越高，水裡溶解氧的濃度越低。水溫、水流緩急、酸鹼物質都影響了水中氧氣的濃度。這些變化的外部環境，還有空氣鐘的尺寸大小，又會影響水蜘蛛在水下的呼吸時長。雖然外部環境有所不同，但是水蜘蛛補充氣體的時間間隔還是比你預期的要長。

澳大利亞阿德萊德大學和德國洪堡大學團隊，用光纖探針（針尖尺寸小於50μm）測量空氣鍾內的氧氣含量，計算鍾內氣體體積，研究水蜘蛛水下呼吸的規律。

團隊收集了14隻空氣鐘的氣體變化數據，發現即使在最炎熱的天氣，水域靜止不動的情況下，水蜘蛛也能依靠空氣鍾在水下長時間停留。70%的水蜘蛛在水下呼吸24小時以上，才會遊到水面上來補氧。只有在嚴重缺氧的水域，或者是空氣鍾尺寸過小的情況下，水蜘蛛才會加快補氧頻率。

空氣鍾是水蜘蛛在水裡的物理鰓，編織一口空氣鍾，水蜘蛛變成了水生生物。

如果說空氣鍾是水蜘蛛的「魚鰓」的話，那麼仰遊蟲的空氣泡就是它的「魚鰾」了。仰遊蟲隨身攜帶空氣泡除了能給它供氧外，還能給它提供浮力。[頭條-法蘭西is培根-未經授權請勿轉載其他平臺]

仰遊蟲

仰遊蟲（Anisops deanei，也叫仰泳蝽），顧名思義，它在水裡運動時，採用的是背脊朝下肚皮朝天的仰泳姿勢。

仰遊蟲的肚皮上有一凹槽，它下水時，在凹槽和疏水纖毛的空間處儲存了一個小氣泡。相比水蜥蜴和水蜘蛛的空氣泡，仰遊蟲的氣泡小得可憐。正是這個小氣泡，控制了它潛水時的停留時間。

跟水蜘蛛的空氣鍾一樣，仰遊蟲的空氣泡也能在水中交換氣體。隨著氮氣的外滲，空氣泡的體積會越來越小。當氣泡小到不能給仰遊蟲提供足夠的浮力時，仰遊蟲就會遊上水面，換個新氣泡。

團隊用2種不同的氣體，替換空氣泡中的氮氣（N2）。替換氣體分別是：氦氣（He）和六氟化硫（SF6）。氦氣的擴散速度比氮氣快，六氟化硫的擴散速度比氮氣慢。替換以後的實驗結果符合預測，氣泡體積決定仰遊蟲的潛水時長：正常攜帶氮氣氣泡的仰遊蟲，潛水2分鐘。攜帶氦氣氣泡的仰遊蟲，只能潛水1.5分鐘。而攜帶六氟化硫氣泡的仰遊蟲，潛水時間為3分鐘。

仰遊蟲剛下水時，必須努力划水才能克服空氣泡的浮力。空氣泡中的氧氣被呼吸消耗後，會從水裡吸收溶解氧做補充，氣泡中20%的氧氣來自水中的溶解氧。不過從水裡吸收的氣體不夠用，氣泡體積會持續縮小，浮力也隨之下降。當仰遊蟲快要失去空氣泡的浮力時，它開始放大招了：仰遊蟲釋放出儲存在腹部血紅蛋白裡的氧氣，補充空氣泡中的氧氣。仰遊蟲用自帶的氧氣來調節氣泡的體積，維持它在水裡的中性平衡。

跟水蜘蛛不同之處在於：決定仰遊蟲潛水時長的關鍵因素是氣泡的體積，而不是氣泡中氧氣的濃度。水蜘蛛的空氣鍾是它的氧氣瓶，而仰遊蟲的空氣泡是它的救生圈。

當你潛水時，裝備全副武裝：氧氣瓶，BCD（浮力調節裝置），配重帶。呼吸依靠氧氣瓶供氧，在水中下沉上浮時依靠BCD調節浮力，潛水新手腰間還得揣上幾塊鉛塊才能沉入海洋。現在來看看什麼裝備都沒有的動物吧，它們赤手空拳，自個兒吹個空氣泡就能實現水肺潛水。只需要一個氣泡就能做到水中呼吸，調節浮力保持中性平衡。水肺潛水的本領，水蜥蜴、水蜘蛛、仰遊蟲，統統都比你優秀。

自然界一直走在我們的前面，平凡不起眼的蜥蜴、蜘蛛、昆蟲，也擁有我們比不上的天賦本領。

參考資料：

1：「Anolis aquaticus (= Norops aquaticus) (Water Anole). Underwater breathing」，Swierk, L.， Herpetological Review， 2019

2：「The diving bell and the spider: the physical gill of Argyroneta aquatica」, Roger S. Seymour et al., Journal of Experimental Biology， 2011

3：「Air bells of water spiders are an extended phenotype modified in response to gas composition」， Schütz, D. et al., Journal of Experimental Zoology， 2007

4：「Gas exchange and dive characteristics of the free-swimming backswimmer Anisops deanei」，Karl K. Jones et al., Journal of Experimental Biology， 2015

附：今天更新自然界裡的秘密系列文章，這是第26篇：水肺潛水。