03.06 為什麼抹香鯨可以潛水一千米到兩千米,而潛水艇就三百米左右就不行了,有什麼區別?

MC街客


抹香鯨可以在水下停留約45分鐘,通常潛水深度可達到1,600-3,200英尺(500米~1000米),最高深度記錄深達1.2英里(接近2千米)。

而潛艇有各種類型,也不能籠統地給出其潛水深度。目前世界上人類製造的潛艇最深的下潛深度是10,900 米,遠超抹香鯨。但這不是一般軍事用途的潛艇,而是專業深潛用的潛艇。軍用潛艇的最深記錄是俄羅斯的685級潛艇於1986年創下的,1300米,普通潛艇只能下潛300-500米左右,抹香鯨倒是遠超普通潛艇的。

上圖:潛艇下潛原理。雖然潛艇允許海水進入到潛艇內,但是整個潛艇是一個剛性的結構,其內倉永遠都充滿了低壓的氣體——因為要供人員在內工作,所以其內外壓差永遠都是巨大的(在800米深就是100倍壓差),對焊接技術和鋼板的強度都充滿了挑戰,甚至可以達到鋼鐵強度無法承受的程度。像是創下下潛記錄的俄羅斯685級潛艇大量採用了鈦合金來加強結構強度才能夠下潛到那個深度。


抹香鯨下潛時要承受多大的水壓?

波義耳定律指出氣體壓力與體積成反比。因此,隨著壓力增加,氣體的體積減小,這是我們前往高海拔地區時會注意到的情況,諸如耳朵裡鼓膜的變化,擰緊的礦泉水瓶的變化等等。

然而,在水下壓力卻要高出幾個數量級。在海平面上,我們身體承受地球大氣15千米厚的空氣以10千克/平方釐米的壓力壓在我們身上,我們毫無察覺,這是因為我們體內的所有氣體和液體都以相同的壓力向外抵抗著外部的壓力(內外等壓)。

上圖:抹香鯨可以在水下呆近兩個小時,潛水深度可達六個埃菲爾鐵塔的高度。


當我們進入水下時,壓力會發生巨大變化 僅在10米的深度處,壓力就會上升到兩倍大氣壓,這意味著我們和抹香鯨肺中的空氣的體積必需縮小一半,才能抵消外部壓力。隨著深度的增加,這個體積將繼續成比例縮小。在距離海面800米深處,鯨魚的肺部將壓縮到到不到它們在海面時肺部面體積的1%,其中空氣的壓力會變得非常大,大約是海平面的100倍。為了防止巨大的空氣壓力將額外的氮氣和氧氣推入血液中,鯨魚已經進化得能關閉肺泡,從而防止氧氣和二氧化碳進入到血液中。因此,當鯨魚潛入水面以下時,肺部的任何空氣都不會進入血液。肺部如上所述塌陷,而且直到它們再次上浮到海面之前都不會利用這部分空氣來呼吸。

上圖:抹香鯨在潛水時會使肺泡塌陷,並防止氣體交換。


但這看來有點浪費,畢竟肺裡面還有那麼多的氧氣可以用。抹香鯨又如何維持體內的氧氣水平的呢?


抹香鯨如何維持體內的氧氣水平?

抹香鯨將氧氣存儲在血液和肌肉當中,而不是在肺部。它們血液中的血紅蛋白含量是人類的2倍,肌紅蛋白中的氧含量更是血紅蛋白的10倍。在海面時,抹香鯨正常呼吸將氧氣泵入血液和肌肉中作為儲備,以便供潛水時使用。這與我們人類在進入水下時發生的情況不同,當我們潛入水中時,我們的肺泡仍然在繼續運作,並不斷將氧氣從肺部轉移到血液中,這帶來了潛水病的風險。

上圖:潛水病的基本症狀

  • 頭部:頭暈、平衡變差、眩暈、嘔吐、乏力、意識喪失

  • 胸部和軀幹:紅疹

  • 手指和腳趾:麻木、針刺感

  • 脊柱:腹痛、小便失禁、癱瘓

  • 膝蓋、肘關節、肩關節:關節疼痛


此外,抹香鯨的身體更加柔韌。它們的肋骨受到鬆散、可彎曲的軟骨的束縛,這使得它們的肋骨可以很容易地在高壓下向內塌陷但又不至於折斷。這有助於幫助抹香鯨在深海調節胸肺部氣壓。而除開肺部之外,抹香鯨全身其它器官基本上就沒有空腔了,基本上都是充滿液體的身體柔韌組織,基本上可以平衡上百倍的大氣壓的變化。

至於地球海洋的深度,基本上不能使水這種液體壓縮多少,因此鯨體內的水在下潛的過程中幾乎不會發生太大體積變化,所以細胞的形態也不會有太大的改變。鯨魚對氣壓的平衡主要發生在充滿了空氣的肺部——想必鯨魚的肺部組織,如肺泡上皮應該是非常堅韌的,否則在壓力變化的過程中就很容易受機械形變的拉力而損壞。相信幾千萬年的進化,鯨魚已經有解決之道了。


總結

剛性和柔韌恐怕是潛艇與鯨魚的最大區別。當然,如果潛艇的材質強度足夠大,也可以潛入更深的海底的。我國的蛟龍號深海潛水器在2012就已經成功下潛到7020米的深海(不過鈦合金球殼是俄羅斯製造,每平方米可承受7000噸水壓,我國自行研製的球殼目前只能下潛到4500米)。

上圖:蛟龍號結構


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抹香鯨(Physeter macrocephalus)是動物世界中最著名的深潛運動員,它們能夠一口氣潛入1000米以下的深海,而抹香鯨深潛記錄是2250米。

圖注:海生生物潛水深度比較,圖片來自網絡


看看抹香鯨再看看我們用鋼鐵製造的潛艇,這些集人類科技於一身的潛水器下潛深度往往只有300米,為什麼呢?

圖注:美國弗吉尼亞級核潛艇,圖片來自網絡



先看抹香鯨有什麼潛水絕招:

抹香鯨每次潛水需要兩個多小時,所以要儲備足夠量的氧氣。抹香鯨每次呼吸能夠換掉體內90%的氧氣,除了肺部,抹香鯨的呼吸道甚至是肌肉都能夠儲存氧氣用於潛水後的呼吸。

圖注:生活在海洋之中的抹香鯨,圖片來自網絡


在解決了呼吸之後,就是面對海底巨大的壓力,要知道2000米之下的深海,每平方釐米就要承受200公斤以上的壓力。隨著下潛,海水的壓力不斷變大,抹香鯨的身體也會在壓力之下變形,變得更小。在抹香鯨的身體之內有一種類似鯨脂的流體物質,它能夠將體內的器官包裹起來,避免在壓力下不斷變相的身體損傷內臟。

抹香鯨深潛時,它的新陳代謝速率也會不斷降低,如此減少對氧氣的消耗,並且能夠對抗深海的低溫。

說完了抹香鯨,再來看看潛水艇:

常見的軍用潛艇,比如核動力潛艇,其儘管安裝了耐壓艇殼,但是外殼無法在壓力之下自由變形,因為潛艇內部有各種儀器,各種設備,每一寸空間都是經過科學的設置設計的,所以其內部體積是固定的。在這樣的前提之下,潛艇能夠達到的最深深度就是其艇殼在安全範圍之內能夠承受的最大壓強,通常是在300、400米左右。

圖注:印度“殲擊者”號潛艇的內部結構,圖片來自網絡

圖注:英國核潛艇的內部,圖片來自網絡

當然啦,我們這裡所討論的潛艇是常見的軍用潛艇,人類製造的深海潛艇和探測器下潛的深度可是大大超過抹香鯨的,比如我國研製的蛟龍號載人潛水器的下潛深度就可以達到7000米,一些深海探測器更是能夠達到10000米的下潛深度。

圖注:中國的“蛟龍”號載人潛水器,圖片來自網絡

抹香鯨與潛艇最大的區別就是:抹香鯨是動物,身體能夠根據下潛的深度發生變化;潛艇是製造物,在設計階段就已經根據用途確定了下潛深度範圍。




古生物探索


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首先 來說說抹香鯨

大家普遍認為抹香鯨的潛水深度一般為2000米左右,但是某些個體甚至於可以到達深海3000以下,在這個深度,水壓會在每平方釐米上施加上超過300公斤的壓力(大概就相當於5個成年男性穿一隻高跟鞋只用鞋跟站在你的腳面上,而且是渾身每一寸皮膚都是這樣大的壓力.

那抹香鯨用什麼樣的生身體構造完成了這樣的奇蹟的呢? 

  1.水下活動時間

  要想深潛,水下的活動時間就必須夠長才可以,抹香鯨一般在水下活動的時間都超過1小時,在某些個體的深潛活動中甚至能達到2小時的憋氣時間,這對於屬於哺乳動物的抹香鯨來說實在是不可想象的,而這樣的憋氣時間是抹香鯨用奇特的身體構造換來的。  

  2.換氣效率

  這樣大型的海洋哺乳動物一次深呼吸可以換掉體內90%以上的氣體,這在陸生動物看來是一個遙不可及的數字,這也造就了驚人的憋氣時間。

  3.呼吸道構造

  按比例來說抹香鯨的肺的大小並不能支持長達1小時以上的潛水活動,在普通人看來,抹香鯨這張由陸生動物演化而來的臉實在有些奇怪,頭似乎太大了,但是在這樣的腦袋中除了鯨脂還有巨大的呼吸道,這樣的結構也儲存了一部分的空氣,而在鯨魚那鮮紅色的肌肉裡,其中所能儲存的氧氣的量也是相當巨大的。

  4.代謝

  抹香鯨在潛水後會逐漸降低自己的新陳代謝,在最極端的條件下,心跳甚至於會達到每分鐘一次的頻率,隨之而來的是深海中低至冰點附近的水溫,可以想象,抹香鯨面對著多麼大的困難。

  5.內臟保護

  抹香鯨在水下潛到一定深度後內臟會受到巨大的擠壓,包括心臟肝臟肺等重要器官會被鯨魚體內分泌的流動的類似鯨脂的物質包裹保護起來避免強大的水壓將內臟壓壞。


再來 說說潛艇

眾所周知,俄羅斯是蘇聯解體之後其軍事工業的最主要繼承者,這也直接奠定了俄羅斯軍事大國的地位,而在核潛艇方面,早在蘇聯時期就擁有世界上最先進的技術,比如服役於上世紀八十年代的“颱風”級戰略核潛艇至今仍是世界上打擊能力最強悍的核潛艇之一。俄羅斯經過多年的發展,在核潛艇方面同樣有很大的成就,比如其自主研發的“北風之神”級戰略核潛艇雖然在體積上面比“颱風”級戰略核潛艇要小一些,但是綜合性能則要更強。而要說到最大下潛深度的話,俄羅斯在這方面擁有無以匹敵的優勢,據悉俄羅斯和潛艇的最大下潛深度為1080米。


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鯨魚是軟的,並且體內充氣器官可以排氣變成“實心”;潛艇“硬”且是“空心”的,內部有人,不可能排完所有氣體,氣體壓力也不能太大,不能抵抗深海海水壓力。

鯨魚是少有的以肺呼吸的海洋生物之一,由於體型龐大,肺部也是很大的,它們通常一次呼吸可以在水下撐15分鐘,有極少數可以撐50分鐘。生物組織的好處是本身就是含有大量水的,且生物膜能夠透水,在深海中就算壓力再強也無法壓裂,就像水母那東西,那就是一泡子水,水壓水能壓出個什麼結果。鯨魚體內也有一些骨骼、器官內有空腔,如果沒有特殊的能力,也一樣會被擠爆,不過鯨魚可以通過排掉一些氣體或者通過收縮肺部的方式提高體內氣體的壓力與海水壓力對抗,使得有些鯨魚可以潛到2000米左右的深海。

潛艇是水下載人的工具,這個特點就使得潛艇必須是空心的,依靠配重等使潛艇上浮或者下沉。空心的潛艇內部氣體壓力如果能夠和深海一樣,那潛艇內外的壓力也是均衡的,就像灌滿水的沉船一樣,並不會被壓扁,但問題是要載人,人最適宜的大氣壓力就是地球表面,稍微大一些也可以,無器具潛水曾有人到達100多米深的地方,氣壓再大的話人也會呼吸困難造成危險,於是就變成了接近海面的氣壓和鐵殼子支撐海水壓力,大型潛艇很少能潛超過500米的 。

舉個簡單的例子,空易拉罐瓶子就算裡邊有氣、封起來也會較容易壓扁,因為氣體容易被壓縮,而裝滿水的密封易拉罐就比較難擠扁了。這也是為什麼無人探測深海海底容易辦到,而能做到載人潛入深海的國家就三兩個,且深海潛艇都是殼子比較厚、體積又很小的。


來看世界呀


真正的原因我不清楚,但我想這就是人類為什麼,一直在探索深海的原因,海底世界又稱內太空,不只有比人類還巨大的生物,也有小到要用數十倍放大才看得到的生物,人類的科技要突破的,除了動力能源的問題,還有壓力空間的控制,畢竟裡面要搭載人與裝備!


oris阿修


因為鯨魚要潛下去吃烏賊,不吃就死了。

潛艇下潛為了隱藏蹤跡,99%情況下潛10米跟潛10000米沒啥區別。

潛300米是比較合理深度,'綜合費用能力技術材料等。

就像四座轎車能滿足大部分需要了,不用每家買輛公交車


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