抹香鯨在水下1000米,承受大氣壓強的100倍,如何做到的?

2021-01-17 大學老師談閱讀與教育

抹香鯨深吸一口氣,輕輕一甩壯碩的尾巴,重新潛入海面以下。現在,它的體內儲備了接下來45分鐘內生存所需的一切,狩獵開始了。這次的獵物是一條巨型魷魚。魷魚身體柔韌,觸鬚上長著可怕的吸盤,堅硬的喙看起來頗有幾分駭人。要找到獵物,抹香鯨必須潛入大海深處陽光無法到達的黑暗世界。它下潛的深度通常是500~1000米,最深可達2千米。黑暗的深海中,抹香鯨靠高定向聲吶探測獵物的蹤跡,等待獵物靠近帶來的微弱回聲。巨型魷魚仍在毫無防備地遊弋,因為它聽不見任何聲音。

在深海中,抹香鯨最珍貴的儲備就是氧氣,氧氣所驅動的化學反應為運動的肌肉提供了能量,抹香鯨要藉此維持生命。不過,從大氣中攝取的氣態氧到了深海中會成為一種負擔。事實上,從抹香鯨潛入水中的那一刻開始,肺裡的空氣就成了麻煩。每下潛1米,它承受的外部水壓就多一分。氮分子和氧分子不斷碰撞彼此,也碰撞著肺壁,每次碰撞都會產生一個極小的推力。

在水面上,抹香鯨身體內外的推力是平衡的,但隨著它不斷下潛,身體承受的水壓越來越大,由外向內的推力超過了由內向外的推力,於是肺壁依靠向內塌陷讓內外壓力重新平衡。抹香鯨的肺逐漸縮小,每個分子擁有的空間也遭到擠壓,因此碰撞變得更加頻繁,這意味著單位面積的肺壁將承受更多碰撞,肺內壓強也隨之增大,直至與外界壓強相等。水下10米深處的水壓相當於標準大氣壓的2倍。在這個深度,儘管抹香鯨還能輕鬆看到水面上的東西(只要它願意去看),它的肺仍會縮小到原來的1/2。這意味著分子碰撞肺壁的次數增加了1倍。但是,魷魚的位置可能在水下1千米,在這個深度,抹香鯨的肺會縮小至它在水面時的1/100。

這頭抹香鯨終於聽到了回聲,現在它必須帶著縮小的肺,依靠聲吶的指引在無垠的黑暗中迎接戰鬥。巨型魷魚有自己的武器,抹香鯨就算最終獲勝,也可能身負重傷。要是沒有肺裡的氧氣,它根本無法獲得戰鬥所需的能量。

肺部縮小會帶來什麼問題呢?如果肺的體積變成了它在水面時的1/100,那麼肺內氣體的壓強就會增加到標準大氣壓的100倍。血液中的氧氣和二氧化碳在小巧的肺泡裡完成交換,如果壓強過大,多餘的氧和氮就會在這個過程中溶解到抹香鯨的血液裡。這些多餘的氣體可能造成嚴重的後果,潛水者稱之為「減壓病」。在抹香鯨返回水面的過程中,多餘的氮氣會在血液裡形成氣泡,破壞機體。從演化的角度來說,抹香鯨唯一的對策是從離開海面那一刻起徹底關閉肺泡。好在它可以通過血液和肌肉中額外儲備的氧氣獲得足夠的能量。抹香鯨體內的血紅蛋白濃度是人類的2倍,肌紅蛋白(肌肉中儲存能量的蛋白質)濃度則是人類的10倍。抹香鯨會在海面上填滿這個巨大的儲備庫。抹香鯨深潛時絕不會動用肺裡的空氣,這實在太危險了。不過在水面以下,它能夠利用的不僅僅是吸入的最後一口氣,肌肉中儲備的額外補給也會支持它的生存和戰鬥。

誰也沒見過抹香鯨大戰巨型魷魚。但人們在抹香鯨屍體的胃裡發現過魷魚的喙,這是魷魚身上唯一不能被消化的部分。可以說,每一頭抹香鯨的胃都記錄著它獲得勝利的次數。得勝歸來的抹香鯨遊向陽光,它的肺慢慢膨脹,恢復血氧供應。隨著外部壓強不斷減小,肺的體積也會逐步回到原來的大小。

奇怪的是,在實踐中,複雜的分子運動經過複雜的統計學處理後,竟能得出較為明確的結果。的確有無數分子以不同的速度碰撞了無數次,但重要的參數其實只有兩個:分子運動的速度範圍,以及分子碰撞容器壁的平均次數。碰撞次數和每次碰撞的強度(取決於分子的速度和質量)決定了氣體壓強。內部和外部氣體壓強的比例決定了氣體體積。不過,溫度帶來的影響又有一點不同。

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