这只长得像“大头皮鞋”的动物如何征服200个大气压的深海？ | 科到了

作者：史秋艳 | 中国科学院大学 培养单位：中国科学院物理研究所 审核：陈其宏 研究员 | 中国科学院物理研究所

这个深海中的大头皮鞋就是我们今天要讲的主人公—抹香鲸。它不是鱼，是要氧气和肺才能呼吸的哺乳动物，可是它却能在2000米深、压强高达200个大气压的深渊里生存，那里本该是充气空腔结构的禁区；它不是冷血的钢铁，是必须维持37℃体温的热力学系统，却可以游曳在接近0℃的冰冷流体中；它不是装备了压电陶瓷的人造声呐，是一具完全由有机软组织构成的血肉之躯，却能发射出高达230分贝的相干声波，其功率密度足以在一瞬间将一名潜水员的手臂震得粉碎。抹香鲸，这只长的像皮鞋一样的动物，一个在极端边界条件下运行了千万年的最优解，在每一寸生理结构上改写了我们对生物物理极限的认知。

抹香鲸是最大的齿鲸，体长可达18米，体重可达50吨，是全球分布最广的海洋哺乳动物之一。从赤道到北极和南极的浮冰边缘，所有深海中都有它们的身影。它们的头特别大，约占全身长度的三分之一。他们的下颚很窄，最靠近牙齿的部分是白色的。下颚两侧各有20到26颗大牙齿。上颚的牙齿很少突破牙龈。

抹香鲸

好，欢迎来到今天海洋游泳大赛的现场，现在请我们的选手们闪亮登场吧！

抹香鲸的深海生存指南

氧气：不是肺大，而是“血”浓

第一位出场选手是水族馆的常驻明星，在斑斓灯光映照下，随着伞状体的收缩与舒张，它如一朵小云般在水中悠然飘游……优雅的水母似乎总能引人驻足，据说它的游动频率与人类放松状态下的脑电波频率相近，凝望片刻，焦虑便悄然消散。

人类潜水靠的是肺活量（带一个“气球”下去），但这在深海是行不通的。因为随着深度增加，肺里的气体会被压缩，不仅无法提供氧气，还会导致氮气溶入血液造成潜水病。抹香鲸一次潜水可达60~90分钟。抹香鲸不把氧气存在肺里，而是存在肌肉和血液里。它们的肌肉呈现深得发黑的红色，因为其中含有极高浓度的肌红蛋白。这种蛋白质对氧气的亲和力极高，能像电池一样储存大量氧气。

一旦下潜，抹香鲸的心率会急剧下降（Bradycardia），血液循环重新分配。血液主要流向大脑和心脏等核心器官，而四肢（鳍）、肾脏、消化系统的供血被切断。这些外周组织靠之前储存在肌红蛋白里的氧气进行“无氧代谢”支撑。下潜前，它们甚至会呼出部分气体。相比人类，它们的肺容量占身体比例其实很小，因为肺只是气体交换的场所，不是储存场所。

压力：如果你不能抵抗它，就成为它

在1000米深处，水压约为100个大气压。这种压力足以把充满了空气的金属罐压扁。如果体内有封闭的空腔（如充满气的肺），肋骨就会被压断，胸腔会塌陷。抹香鲸的胸廓不是刚性的，而是柔性的（浮动肋骨）。在下潜到约 70-100米深时，外部水压会把它们的肺完全压缩、塌陷，其中的空气被挤入坚固的气管和支气管中（这些部位不参与气体交换）。

潜水病是因为高压下氮气溶解在血液里，上浮时形成气泡阻塞血管。因为肺塌陷了，气体交换停止，氮气就被阻隔在血液之外。没有氮气进入血液，就不怕上浮时产生气泡。

它们体内充满了复杂的网状血管（Rete Mirabile），可以起到压力缓冲的作用，保护由于压力变化可能受损的组织。

温度与浮力：头部的秘密武器

深海1000米处的水温通常只有2–4℃。作为恒温动物（体温约37°C），水带走热量的速度是空气的25倍。抹香鲸具有超厚皮下脂肪（Blubber），像穿了一件极厚的羽绒服，既保暖又提供流线型外形。此外，其逆流热交换系统（Counter-current heat exchange）也扮演着重要的角色。在它的鳍和尾部，动脉血（热）和静脉血（冷）紧紧贴在一起。热血流向末梢时，先把热量传给回流的冷血，这样热量就被“锁”在身体核心，不会散失到海里。

上升和下潜的动力学

抹香鲸必须在水面的氧气源和深海的食物之间穿行。对于一只重达20吨左右的抹香鲸来说，每次的下潜和上升都要消耗巨大的能量。

Miller等人的研究表明，抹香鲸的深海潜水实际上是一个变浮力运载过程（Variable Buoyancy Locomotion）。它们不仅仅是游泳健将，更是精明的能量管理大师。通过利用气体状态方程（肺部压缩）和相变热力学（鲸脑油固化/熔化），抹香鲸动态地调节其整体密度使得自己消耗最低的能量实现上升和下潜。

在 （下潜）时段，抹香鲸通过吸入冷海水进入鼻道，冷却鲸脑油，其凝固点大概在30℃左右，固态油密度比液态大，体积收缩，密度增大，使得 ，利用重力势能转化为动能，实现零能耗滑行（Gliding）；

在 （上升）时段，增加头部的血液循环，利用体热（37℃）加热鲸脑油，鲸脑油液化，体积膨胀，密度减小，浮力增大，辅助上升。虽然主要依靠肌肉做功，但热力学调节依然试图通过减小 来降低负载。

这是一台在大自然中运行了千万年的、利用相变原理进行姿态控制和能量回收的生物潜艇。

一条 12.5 m长，质量为25000 Kg的抹香鲸以1.5 m/s 的速度上升或者下降上的预测阻力和浮力

看见声音——捕猎与交流

抹香鲸会潜入深海中捕食各种大型食物——主要是深海鱿鱼。在阳光无法穿透的黑暗深水中，抹香鲸利用回声定位构建对世界的“视觉”，精准地捕捉猎物。抹香鲸能够发出高达230分贝地咔哒声(clicks)，这是已知动物界最响亮地声音——相比之下，喷气式飞机起飞时的噪音约为150分贝。其声强是喷气式飞机的一亿倍。

抹香鲸的声学系统

抹香鲸通过鼻道末端的“猴唇”（phonic lips）结构（i）振动产生声波，类似于人类的声带。初始声波向后传播，被头骨前的气囊反射，穿过鲸脑油器官（c）。由于鲸脑油的声速（约1350 m/s）低于海水（约1500 m/s），声波在界面发生折射。其脑油体（f）中的脂肪透镜阵列可类比为声学菲涅尔透镜，最终被聚焦成定向波束。声波击中猎物后反射回来，通过下颌骨传导至内耳。抹香鲸的下颌骨内部充满脂肪，是天然的声波接收天线。

通过分析回声的时间延迟和频率变化（多普勒效应），抹香鲸能判断：

·猎物距离： （声速 × 时间差 ÷ 2）

·猎物运动状态：接近时回声频率升高，远离时降低

·猎物大小与形状：通过回声强度与波形细节推断

在1000 m深的漆黑海底，它们能精准定位一只30 cm的乌贼。

深海中的温柔羁绊—母系氏族与文化传承

抹香鲸拥有地球上最大的大脑。大脑的体积通常和高度的认知能力有关，抹香鲸彼此之间复杂的交流和丰富的社交生活充分利用了这些能力。

抹香鲸像竖着的石阵一样睡觉

抹香鲸的社会结构完全由雌性主导。一个典型的鲸群由10~20头个体组成，包括祖母、母亲、阿姨、女儿和年幼的雄性。家族中的成年雌性会轮流担任“保姆”。当母亲下潜觅食（通常 40-60分钟）时，其他雌性会保护幼鲸免受虎鲸或鲨鱼的攻击[5]。有些雌性甚至会在没有血缘关系的情况下给幼鲸哺乳（异母哺乳），这在动物界极其罕见。

抹香鲸不只发出一模一样的“咔嗒”声。当它们社交时，会发出一种独特的节奏模式，就像摩斯密码一样，被称为"Coda"。科学家发现，不同的鲸群使用完全不同的Coda 节奏。这不是天生的，而是后天学习的。这就是生物学定义的“文化”。比如，“太平洋群”可能喜欢“3+1”的节奏（哒哒哒-哒），而隔壁的“加勒比群”喜欢“1+1+3”。如果两群鲸鱼在海里相遇，它们通过听口音就知道“它不是我们一伙的”，然后各走各的路。

抹香鲸通过一系列的“click”进行交流

尽管抹香鲸是巨兽，但幼崽很容易成为虎鲸（Killer Whales）的猎物。当面临威胁时，雌性抹香鲸会迅速聚拢，通过一种极其精密的战术阵型来防御：玛格丽特花队形（Rosette Formation）。头朝里，尾朝外：这种阵型把幼鲸围在圆心，成鲸巨大的尾巴向外挥舞，像巨大的拍子一样击退虎鲸。头朝外，尾朝里：如果捕食者试图攻击头部，它们会反转阵型，用充满利齿的大嘴对外。这种利他主义和集体协作，展示了极高的社会智商。

1997年10月21日，在一次虎鲸袭击中，抹香鲸形成了一个莲座，它们的头朝向中心，尾巴向外

抹香鲸不仅是进化的奇迹，更是深海文明的守望者。从热力学的精密调控到母系氏族的温柔羁绊，它们用几千万年的时间证明了：在地球最黑暗、最寒冷、压力最大的角落，依然可以诞生最炽热的生命和最复杂的智慧。生命总会找到自己的奇迹，而抹香鲸本身，就是那场在这颗蓝色星球的深渊中，上演了千万年的宏大奇迹。

参考文献：

[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. Beguš, 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. Tønnesen, 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).

编辑：小赫Amyyy