作者：史秋艷 | 中國科學(xué)院大學(xué) 培養(yǎng)單位：中國科學(xué)院物理研究所 審核：陳其宏 研究員 | 中國科學(xué)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(qiáng)高達(dá)200個大氣壓的深淵里生存，那里本該是充氣空腔結(jié)構(gòu)的禁區(qū)；它不是冷血的鋼鐵，是必須維持37℃體溫的熱力學(xué)系統(tǒng)，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(jī)軟組織構(gòu)成的血肉之軀，卻能發(fā)射出高達(dá)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(yùn)行了千萬年的最優(yōu)解，在每一寸生理結(jié)構(gòu)上改寫了我們對生物物理極限的認(rèn)知。

抹香鯨是最大的齒鯨，體長可達(dá)18米，體重可達(dá)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(cè)各有20到26顆大牙齒。上顎的牙齒很少突破牙齦。

抹香鯨

好，歡迎來到今天海洋游泳大賽的現(xiàn)場，現(xiàn)在請我們的選手們閃亮登場吧！

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(yōu)雅的水母似乎總能引人駐足，據(jù)說它的游動頻率與人類放松狀態(tài)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?yàn)殡S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(dǎo)致氮?dú)馊苋胙涸斐蓾撍　?strong>抹香鯨一次潛水可達(dá)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(xiàn)深得發(fā)黑的紅色，因?yàn)槠渲泻袠O高濃度的肌紅蛋白。這種蛋白質(zhì)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(huán)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(tǒng)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(jìn)行“無氧代謝”支撐。下潛前，它們甚至?xí)舫霾糠謿怏w。相比人類，它們的肺容量占身體比例其實(shí)很小，因?yàn)榉沃皇菤怏w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(nèi)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?yàn)楦邏合碌獨(dú)馊芙庠谘豪?，上浮時形成氣泡阻塞血管。因?yàn)榉嗡萘?，氣體交換停止，氮?dú)饩捅蛔韪粼谘褐?。沒有氮?dú)膺M(jìn)入血液，就不怕上浮時產(chǎn)生氣泡。

它們體內(nèi)充滿了復(fù)雜的網(wǎng)狀血管（Rete Mirabile），可以起到壓力緩沖的作用，保護(hù)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(tǒng)（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(xué)

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(dá)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(shí)際上是一個變浮力運(yùn)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(tài)方程（肺部壓縮）和相變熱力學(xué)（鯨腦油固化/熔化），抹香鯨動態(tài)地調(diào)節(jié)其整體密度使得自己消耗最低的能量實(shí)現(xiàn)上升和下潛。

在 （下潛）時段，抹香鯨通過吸入冷海水進(jìn)入鼻道，冷卻鯨腦油，其凝固點(diǎn)大概在30℃左右，固態(tài)油密度比液態(tài)大，體積收縮，密度增大，使得 ，利用重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，實(shí)現(xiàn)零能耗滑行（Gliding）；

在 （上升）時段，增加頭部的血液循環(huán)，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(xué)調(diào)節(jié)依然試圖通過減小 來降低負(fù)載。

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

一條 12.5 m長，質(zhì)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(yù)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(gòu)建對世界的“視覺”，精準(zhǔn)地捕捉獵物。抹香鯨能夠發(fā)出高達(dá)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(jī)起飛時的噪音約為150分貝。其聲強(qiáng)是噴氣式飛機(jī)的一億倍。

抹香鯨的聲學(xué)系統(tǒng)

抹香鯨通過鼻道末端的“猴唇”（phonic lips）結(jié)構(gòu)（i）振動產(chǎn)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(fā)生折射。其腦油體（f）中的脂肪透鏡陣列可類比為聲學(xué)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(dǎo)至內(nèi)耳。抹香鯨的下頜骨內(nèi)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(yīng)），抹香鯨能判斷：

·獵物距離： （聲速 × 時間差 ÷ 2）

·獵物運(yùn)動狀態(tài)：接近時回聲頻率升高，遠(yuǎn)離時降低

·獵物大小與形狀：通過回聲強(qiáng)度與波形細(xì)節(jié)推斷

在1000 m深的漆黑海底，它們能精準(zhǔn)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(rèn)知能力有關(guān)，抹香鯨彼此之間復(fù)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(jié)構(gòu)完全由雌性主導(dǎo)。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(dān)任“保姆”。當(dāng)母親下潛覓食（通常 40-60分鐘）時，其他雌性會保護(hù)幼鯨免受虎鯨或鯊魚的攻擊[5]。有些雌性甚至?xí)跊]有血緣關(guān)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(fā)出一模一樣的“咔嗒”聲。當(dāng)它們社交時，會發(fā)出一種獨(dú)特的節(jié)奏模式，就像摩斯密碼一樣，被稱為"Coda"?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，不同的鯨群使用完全不同的Coda 節(jié)奏。這不是天生的，而是后天學(xué)習(xí)的。這就是生物學(xué)定義的“文化”。比如，“太平洋群”可能喜歡“3+1”的節(jié)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(jìn)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(dāng)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(zhàn)術(shù)陣型來防御：瑪格麗特花隊(duì)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(zhuǎn)陣型，用充滿利齒的大嘴對外。這種利他主義和集體協(xié)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(jìn)化的奇跡，更是深海文明的守望者。從熱力學(xué)的精密調(diào)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(fù)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(lán)色星球的深淵中，上演了千萬年的宏大奇跡。

參考文獻(xiàn)：

[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