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).