為什麼魚一死就漂在水面上,而仿生的潛艇炸了會沉沒?

2020-12-04 澎湃新聞

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魚鰾是一個很有吸引力的東西，當然不是因為花膠雞煲太好吃，也不是因為鮑參翅肚的名氣太大，單純就是因為它真的有點謎。

排除那些活在凡爾賽文學中的人，大多數人都是看過父母殺魚的吧，菜刀一划，內臟一掏，就會看到一個白色略帶透明的囊泡，也就是魚鰾。

如無意外，不管是教科書上還是父母說的還是老師教的，從來沒有人不認為魚鰾是魚用來控制上浮和下潛的器官。經典的描述是這麼說的：魚通過改變魚鰾的體積來控制浮力的大小，從而實現在水中的主動上浮和下潛。

我們在小學三年級就偷看過聽過阿基米德洗澡和發現浮力原理的故事，知道浮力的大小和物體排開水的體積有關，確切的說物體所受浮力大小就等於其排開液體的重量。

我們看著從魚肚子裡掏出來的魚鰾，動了動小學三年級的小腦瓜一想，這魚鰾柔軟有彈性，就像個氣球一樣，用它來控制上浮和下潛很合理嘛。

300多年前，大家都是這麼想的。這種理論最早被義大利佛羅倫斯科學院的教授們討論，最終在1685年由波雷裡教授正式提出，詳細的說法與我們的常識一致，魚鼓起魚鰾上浮，壓縮魚鰾下潛。

這個理論有一個最致命的缺陷，它提出的魚類主動控制魚鰾的體積改變浮力，但卻沒有解釋魚類如何控制魚鰾。

今天，我們對魚鰾的解剖表明，魚鰾的結構分三層，外層是堅韌透明的纖維組織，含有鳥嘌呤晶體不透氣，中間層是結締組織，由膠原纖維和彈性行為組成，最內層是上皮細胞，僅含有一些的血管。

可見整個魚鰾根本就沒有肌肉組織，因此是不能主動改變體積大小的。這時候就可以提出另一個假設，魚類是不是可以通過別的器官和結構給魚鰾進行充氣和放氣呢？

這一點可以通過簡單的生活經驗來求證，我們自己殺魚或者看父母殺魚的時候，都會留意從魚肚子裡掏出來的魚鰾不僅完整，甚至不會漏氣，只有被煮熟後才會癟下來，這說明很多淡水魚的魚鰾並沒有明顯的管道進行快速的充氣和放氣。

實際上魚鰾分為喉鰾類和閉鰾類，前者具有鰾管與消化道連通，有部分硬骨魚的確能夠通過魚鰾來輔助呼吸，而後者的鰾管已退化，魚鰾內的氣體通過「分泌」的方式進入，非常緩慢。

根據資料顯示，人為將鮭魚魚鰾內的氣體抽出後，要經過4個小時才能重新充滿，這個速度顯然無法滿足魚類上浮和下潛的需要。

如果以上的生活經驗還不過說服力的話，還有另一個更直觀的證據。魚可以主動給魚鰾進行快速的充氣和放氣，按照經典的理論，魚在上浮的過程中需要補充空氣，而下潛的過程中需要排出空氣，可實際情況中，魚既無法在水中吸入空氣，也不會在下潛時吐氣泡。

更難以解釋的是魚的死亡，很多淡水魚在死亡後都會出現腹部朝上浮出水面的現象，這與一般動物溺死後體內腐敗產生氣體還不一樣。

在一些非法捕魚中，比如電魚炸魚或者下毒，這些方法都能在短時間內甚至是一瞬間殺死魚，而這些死去的魚會迅速浮出水面，如果魚類通過控制魚鰾體積來實現上浮和下潛，就無法解釋魚死亡後上浮的現象。

而被認為是仿照魚類設計的潛艇在中彈後或者失去動力後並不會自動上浮，反而有可能沉沒，顯然潛艇的上浮下潛原理並非我們認為的仿生學，或者說我們對魚鰾的功能存在誤解。

其實關於魚鰾功能的理論其實一直都存在異議，可能是因為這樣的知識不值得深入且系統的論證，300多年來，魚鰾控制沉浮的說法就這樣被寫入了教科書，成為了人們的一個常識。

2008年的時候，上海向明中學的黃曾新老師帶領5名中學生成立了一個科研小組，就為探究魚鰾的功能問題。如上述提到的一些無法自圓其說的點，中學生們也發現了傳統理論的矛盾之處。

他們還發現了更多的一些證據，比如並非所有魚類都有魚鰾，比如軟骨魚類，鯊魚就沒有魚鰾的結構，硬骨魚也並非都有魚鰾，我們常吃的羅非魚就不具有普通的魚鰾。

顯然幫助魚類在水中上下自如遊動的應該有其他裝備，學生們認為魚類主要還是依靠胸鰭和腹鰭的運動來達到在水中上浮和下潛的效果。

魚鰾雖然不具有主動的調節能力，但它作為一個穩定的存在可以讓魚自身的重力與浮力被動地保持相對的平衡，從而節省能量。

具體來說，在魚通過鰭的運動下潛時，魚鰾因為壓強增大而體積減小，越往下沉就浮力就越小，這種被動變化能夠幫助魚類下潛。

同理，魚類上浮時，魚鰾因為壓強減小而體積增大，越上升浮力越大。簡單來說，魚鰾的作用是讓魚整體與其棲息深度的水相似的密度，但這是一種不穩定的平衡，上浮或下潛都會打破平衡，需要耗費更多的能量回到平衡。

如果打一個簡單的比方，就類似於放在坡頂的小球，往前或往後都會加速落下，只有頂部的小區域才能夠保持平衡。如果把一條被麻醉昏厥的鯉魚放在容器中，自然狀態下它會浮在水面上，但在開口處加壓模擬深水層的環境時，壓強達到一定程度後，鯉魚就會沉到底部。

相反，深海中的魚類迅速上浮就會，魚鰾被動膨脹，以至於僅憑它們自己的運動很難重新回到深處，嚴重還會觀察到魚鰾脹破的現象。

比如漁民捕撈生活在十幾米深的小黃魚，很容易發現這些小黃魚的魚鰾幾乎沒有完整的，有的還會因為魚鰾過度膨脹而把內臟擠出體外。

對於大多數魚類來說，魚鰾的作用並不是主動控制沉浮的升降器，而是一種調節器官，可以通過緩慢的進氣排氣來適應魚類棲息的水層。

但是對於底棲魚類來說，魚鰾的作用就比較小，一般會較為退化，另外一些長期快速遊動的魚類，如金槍魚，魚鰾也不發達。

對於某些生活在極淺水域的魚，它們可能並不需要魚鰾來調節浮力，但它們可能把魚鰾玩出花來，非洲肺魚每年都要經受旱季的挑戰，在枯水時期它們鑽入淤泥中，魚鰾此時可以發揮類似「肺」的作用。

最後，魚鰾也不僅僅是一件生存裝備，也可以是求偶裝備，比如石首魚科的代表大黃魚，它們通過魚鰾和肌肉、脊椎骨的摩擦發出響亮的聲音。

長此以往它們的魚鰾也進化更加發達和厚實，終於成為了花膠雞煲中的頭牌食材。

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