這只長得像“大頭皮鞋”的動物如何征服200個大氣壓的深海？ | 科到了

作者：史秋艷 | 中國科學院大學 培養單位：中國科學院物理研究所 審核：陳其宏 研究員 | 中國科學院物理研究所

這個深海中的大頭皮鞋就是我們今天要講的主人公—抹香鯨。它不是魚，是要氧氣和肺才能呼吸的哺乳動物，可是它卻能在2000米深、壓強高達200個大氣壓的深淵里生存，那里本該是充氣空腔結構的禁區；它不是冷血的鋼鐵，是必須維持37℃體溫的熱力學系統，卻可以游曳在接近0℃的冰冷流體中；它不是裝備了壓電陶瓷的人造聲吶，是一具完全由有機軟組織構成的血肉之軀，卻能發射出高達230分貝的相干聲波，其功率密度足以在一瞬間將一名潛水員的手臂震得粉碎。抹香鯨，這只長的像皮鞋一樣的動物，一個在極端邊界條件下運行了千萬年的最優解，在每一寸生理結構上改寫了我們對生物物理極限的認知。

抹香鯨是最大的齒鯨，體長可達18米，體重可達50噸，是全球分布最廣的海洋哺乳動物之一。從赤道到北極和南極的浮冰邊緣，所有深海中都有它們的身影。它們的頭特別大，約占全身長度的三分之一。他們的下顎很窄，最靠近牙齒的部分是白色的。下顎兩側各有20到26顆大牙齒。上顎的牙齒很少突破牙齦。

抹香鯨

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抹香鯨的深海生存指南

氧氣：不是肺大，而是“血”濃

第一位出場選手是水族館的常駐明星，在斑斕燈光映照下，隨著傘狀體的收縮與舒張，它如一朵小云般在水中悠然飄游……優雅的水母似乎總能引人駐足，據說它的游動頻率與人類放松狀態下的腦電波頻率相近，凝望片刻，焦慮便悄然消散。

人類潛水靠的是肺活量（帶一個“氣球”下去），但這在深海是行不通的。因為隨著深度增加，肺里的氣體會被壓縮，不僅無法提供氧氣，還會導致氮氣溶入血液造成潛水病。抹香鯨一次潛水可達60~90分鐘。抹香鯨不把氧氣存在肺里，而是存在肌肉和血液里。它們的肌肉呈現深得發黑的紅色，因為其中含有極高濃度的肌紅蛋白。這種蛋白質對氧氣的親和力極高，能像電池一樣儲存大量氧氣。

一旦下潛，抹香鯨的心率會急劇下降（Bradycardia），血液循環重新分配。血液主要流向大腦和心臟等核心器官，而四肢（鰭）、腎臟、消化系統的供血被切斷。這些外周組織靠之前儲存在肌紅蛋白里的氧氣進行“無氧代謝”支撐。下潛前，它們甚至會呼出部分氣體。相比人類，它們的肺容量占身體比例其實很小，因為肺只是氣體交換的場所，不是儲存場所。

壓力：如果你不能抵抗它，就成為它

在1000米深處，水壓約為100個大氣壓。這種壓力足以把充滿了空氣的金屬罐壓扁。如果體內有封閉的空腔（如充滿氣的肺），肋骨就會被壓斷，胸腔會塌陷。抹香鯨的胸廓不是剛性的，而是柔性的（浮動肋骨）。在下潛到約 70-100米深時，外部水壓會把它們的肺完全壓縮、塌陷，其中的空氣被擠入堅固的氣管和支氣管中（這些部位不參與氣體交換）。

潛水病是因為高壓下氮氣溶解在血液里，上浮時形成氣泡阻塞血管。因為肺塌陷了，氣體交換停止，氮氣就被阻隔在血液之外。沒有氮氣進入血液，就不怕上浮時產生氣泡。

它們體內充滿了復雜的網狀血管（Rete Mirabile），可以起到壓力緩沖的作用，保護由于壓力變化可能受損的組織。

溫度與浮力：頭部的秘密武器

深海1000米處的水溫通常只有2–4℃。作為恒溫動物（體溫約37°C），水帶走熱量的速度是空氣的25倍。抹香鯨具有超厚皮下脂肪（Blubber），像穿了一件極厚的羽絨服，既保暖又提供流線型外形。此外，其逆流熱交換系統（Counter-current heat exchange）也扮演著重要的角色。在它的鰭和尾部，動脈血（熱）和靜脈血（冷）緊緊貼在一起。熱血流向末梢時，先把熱量傳給回流的冷血，這樣熱量就被“鎖”在身體核心，不會散失到海里。

上升和下潛的動力學

抹香鯨必須在水面的氧氣源和深海的食物之間穿行。對于一只重達20噸左右的抹香鯨來說，每次的下潛和上升都要消耗巨大的能量。

Miller等人的研究表明，抹香鯨的深海潛水實際上是一個變浮力運載過程（Variable Buoyancy Locomotion）。它們不僅僅是游泳健將，更是精明的能量管理大師。通過利用氣體狀態方程（肺部壓縮）和相變熱力學（鯨腦油固化/熔化），抹香鯨動態地調節其整體密度使得自己消耗最低的能量實現上升和下潛。

在 （下潛）時段，抹香鯨通過吸入冷海水進入鼻道，冷卻鯨腦油，其凝固點大概在30℃左右，固態油密度比液態大，體積收縮，密度增大，使得 ，利用重力勢能轉化為動能，實現零能耗滑行（Gliding）；

在 （上升）時段，增加頭部的血液循環，利用體熱（37℃）加熱鯨腦油，鯨腦油液化，體積膨脹，密度減小，浮力增大，輔助上升。雖然主要依靠肌肉做功，但熱力學調節依然試圖通過減小 來降低負載。

這是一臺在大自然中運行了千萬年的、利用相變原理進行姿態控制和能量回收的生物潛艇。

一條 12.5 m長，質量為25000 Kg的抹香鯨以1.5 m/s 的速度上升或者下降上的預測阻力和浮力

看見聲音——捕獵與交流

抹香鯨會潛入深海中捕食各種大型食物——主要是深海魷魚。在陽光無法穿透的黑暗深水中，抹香鯨利用回聲定位構建對世界的“視覺”，精準地捕捉獵物。抹香鯨能夠發出高達230分貝地咔噠聲(clicks)，這是已知動物界最響亮地聲音——相比之下，噴氣式飛機起飛時的噪音約為150分貝。其聲強是噴氣式飛機的一億倍。

抹香鯨的聲學系統

抹香鯨通過鼻道末端的“猴唇”（phonic lips）結構（i）振動產生聲波，類似于人類的聲帶。初始聲波向后傳播，被頭骨前的氣囊反射，穿過鯨腦油器官（c）。由于鯨腦油的聲速（約1350 m/s）低于海水（約1500 m/s），聲波在界面發生折射。其腦油體（f）中的脂肪透鏡陣列可類比為聲學菲涅爾透鏡，最終被聚焦成定向波束。聲波擊中獵物后反射回來，通過下頜骨傳導至內耳。抹香鯨的下頜骨內部充滿脂肪，是天然的聲波接收天線。

通過分析回聲的時間延遲和頻率變化（多普勒效應），抹香鯨能判斷：

·獵物距離： （聲速 × 時間差 ÷ 2）

·獵物運動狀態：接近時回聲頻率升高，遠離時降低

·獵物大小與形狀：通過回聲強度與波形細節推斷

在1000 m深的漆黑海底，它們能精準定位一只30 cm的烏賊。

深海中的溫柔羈絆—母系氏族與文化傳承

抹香鯨擁有地球上最大的大腦。大腦的體積通常和高度的認知能力有關，抹香鯨彼此之間復雜的交流和豐富的社交生活充分利用了這些能力。

抹香鯨像豎著的石陣一樣睡覺

抹香鯨的社會結構完全由雌性主導。一個典型的鯨群由10~20頭個體組成，包括祖母、母親、阿姨、女兒和年幼的雄性。家族中的成年雌性會輪流擔任“保姆”。當母親下潛覓食（通常 40-60分鐘）時，其他雌性會保護幼鯨免受虎鯨或鯊魚的攻擊[5]。有些雌性甚至會在沒有血緣關系的情況下給幼鯨哺乳（異母哺乳），這在動物界極其罕見。

抹香鯨不只發出一模一樣的“咔嗒”聲。當它們社交時，會發出一種獨特的節奏模式，就像摩斯密碼一樣，被稱為"Coda"。科學家發現，不同的鯨群使用完全不同的Coda 節奏。這不是天生的，而是后天學習的。這就是生物學定義的“文化”。比如，“太平洋群”可能喜歡“3+1”的節奏（噠噠噠-噠），而隔壁的“加勒比群”喜歡“1+1+3”。如果兩群鯨魚在海里相遇，它們通過聽口音就知道“它不是我們一伙的”，然后各走各的路。

抹香鯨通過一系列的“click”進行交流

盡管抹香鯨是巨獸，但幼崽很容易成為虎鯨（Killer Whales）的獵物。當面臨威脅時，雌性抹香鯨會迅速聚攏，通過一種極其精密的戰術陣型來防御：瑪格麗特花隊形（Rosette Formation）。頭朝里，尾朝外：這種陣型把幼鯨圍在圓心，成鯨巨大的尾巴向外揮舞，像巨大的拍子一樣擊退虎鯨。頭朝外，尾朝里：如果捕食者試圖攻擊頭部，它們會反轉陣型，用充滿利齒的大嘴對外。這種利他主義和集體協作，展示了極高的社會智商。

1997年10月21日，在一次虎鯨襲擊中，抹香鯨形成了一個蓮座，它們的頭朝向中心，尾巴向外

抹香鯨不僅是進化的奇跡，更是深海文明的守望者。從熱力學的精密調控到母系氏族的溫柔羈絆，它們用幾千萬年的時間證明了：在地球最黑暗、最寒冷、壓力最大的角落，依然可以誕生最熾熱的生命和最復雜的智慧。生命總會找到自己的奇跡，而抹香鯨本身，就是那場在這顆藍色星球的深淵中，上演了千萬年的宏大奇跡。

參考文獻：

[1]Gillian Bowser,Listening to the languages of nature. Science390,1236-1236(2025).

[2] Miller PJ, Johnson MP, Tyack PL, Terray EA (2004) Swimming gaits, passive drag and buoyancy of diving sperm whales physeter macrocephalus. J Exp Biol 207:1953–1967.

[3] J. Andreas, G. Begu?, M. M. Bronstein, R. Diamant, D. Delaney, S. Gero, S. Goldwasser, D. F. Gruber, S. de Haas, P. Malkin, N. Pavlov, R. Payne, G. Petri, D. Rus, P. Sharma, D. Tchernov, P. T?nnesen, A. Torralba, D. Vogt, R. J. Wood, Toward understanding the communication in sperm whales. iScience25, 104393 (2022).

[5]Whitehead, H. Babysitting, dive synchrony, and indications of alloparental care in sperm whales. Behav Ecol Sociobiol 38, 237–244 (1996).

[7] harma, P., Gero, S., Payne, R.et al. Contextual and combinatorial structure in sperm whale vocalisations. Nat Commun15, 3617 (2024).

編輯：小赫Amyyy