原創(chuàng) SME SME科技故事 收錄于話題#動(dòng)植物13個(gè)

魚鰾是一個(gè)很有吸引力的東西，當(dāng)然不是因?yàn)榛z雞煲太好吃，也不是因?yàn)轷U參翅肚的名氣太大，單純就是因?yàn)樗娴挠悬c(diǎn)謎。

排除那些活在凡爾賽文學(xué)中的人，大多數(shù)人都是看過父母殺魚的吧，菜刀一劃，內(nèi)臟一掏，就會(huì)看到一個(gè)白色略帶透明的囊泡，也就是魚鰾。

如無意外，不管是教科書上還是父母說的還是老師教的，從來沒有人不認(rèn)為魚鰾是魚用來控制上浮和下潛的器官。經(jīng)典的描述是這么說的：魚通過改變魚鰾的體積來控制浮力的大小，從而實(shí)現(xiàn)在水中的主動(dòng)上浮和下潛。

我們?cè)谛W(xué)三年級(jí)就偷看過聽過阿基米德洗澡和發(fā)現(xiàn)浮力原理的故事，知道浮力的大小和物體排開水的體積有關(guān)，確切的說物體所受浮力大小就等于其排開液體的重量。

我們看著從魚肚子里掏出來的魚鰾，動(dòng)了動(dòng)小學(xué)三年級(jí)的小腦瓜一想，這魚鰾柔軟有彈性，就像個(gè)氣球一樣，用它來控制上浮和下潛很合理嘛。

300多年前，大家都是這么想的。這種理論最早被意大利佛羅倫薩科學(xué)院的教授們討論，最終在1685年由波雷里教授正式提出，詳細(xì)的說法與我們的常識(shí)一致，魚鼓起魚鰾上浮，壓縮魚鰾下潛。

這個(gè)理論有一個(gè)最致命的缺陷，它提出的魚類主動(dòng)控制魚鰾的體積改變浮力，但卻沒有解釋魚類如何控制魚鰾。

今天，我們對(duì)魚鰾的解剖表明，魚鰾的結(jié)構(gòu)分三層，外層是堅(jiān)韌透明的纖維組織，含有鳥嘌呤晶體不透氣，中間層是結(jié)締組織，由膠原纖維和彈性行為組成，最內(nèi)層是上皮細(xì)胞，僅含有一些的血管。

可見整個(gè)魚鰾根本就沒有肌肉組織，因此是不能主動(dòng)改變體積大小的。這時(shí)候就可以提出另一個(gè)假設(shè)，魚類是不是可以通過別的器官和結(jié)構(gòu)給魚鰾進(jìn)行充氣和放氣呢？

這一點(diǎn)可以通過簡(jiǎn)單的生活經(jīng)驗(yàn)來求證，我們自己殺魚或者看父母殺魚的時(shí)候，都會(huì)留意從魚肚子里掏出來的魚鰾不僅完整，甚至不會(huì)漏氣，只有被煮熟后才會(huì)癟下來，這說明很多淡水魚的魚鰾并沒有明顯的管道進(jìn)行快速的充氣和放氣。

實(shí)際上魚鰾分為喉鰾類和閉鰾類，前者具有鰾管與消化道連通，有部分硬骨魚的確能夠通過魚鰾來輔助呼吸，而后者的鰾管已退化，魚鰾內(nèi)的氣體通過“分泌”的方式進(jìn)入，非常緩慢。

根據(jù)資料顯示，人為將鮭魚魚鰾內(nèi)的氣體抽出后，要經(jīng)過4個(gè)小時(shí)才能重新充滿，這個(gè)速度顯然無法滿足魚類上浮和下潛的需要。

如果以上的生活經(jīng)驗(yàn)還不過說服力的話，還有另一個(gè)更直觀的證據(jù)。魚可以主動(dòng)給魚鰾進(jìn)行快速的充氣和放氣， 按照經(jīng)典的理論，魚在上浮的過程中需要補(bǔ)充空氣，而下潛的過程中需要排出空氣，可實(shí)際情況中，魚既無法在水中吸入空氣，也不會(huì)在下潛時(shí)吐氣泡。

更難以解釋的是魚的死亡，很多淡水魚在死亡后都會(huì)出現(xiàn)腹部朝上浮出水面的現(xiàn)象，這與一般動(dòng)物溺死后體內(nèi)腐敗產(chǎn)生氣體還不一樣。

在一些非法捕魚中，比如電魚炸魚或者下毒，這些方法都能在短時(shí)間內(nèi)甚至是一瞬間殺死魚，而這些死去的魚會(huì)迅速浮出水面，如果魚類通過控制魚鰾體積來實(shí)現(xiàn)上浮和下潛，就無法解釋魚死亡后上浮的現(xiàn)象。

而被認(rèn)為是仿照魚類設(shè)計(jì)的潛艇在中彈后或者失去動(dòng)力后并不會(huì)自動(dòng)上浮，反而有可能沉沒，顯然潛艇的上浮下潛原理并非我們認(rèn)為的仿生學(xué)，或者說我們對(duì)魚鰾的功能存在誤解。

其實(shí)關(guān)于魚鰾功能的理論其實(shí)一直都存在異議，可能是因?yàn)檫@樣的知識(shí)不值得深入且系統(tǒng)的論證，300多年來，魚鰾控制沉浮的說法就這樣被寫入了教科書，成為了人們的一個(gè)常識(shí)。

2008年的時(shí)候，上海向明中學(xué)的黃曾新老師帶領(lǐng)5名中學(xué)生成立了一個(gè)科研小組，就為探究魚鰾的功能問題。如上述提到的一些無法自圓其說的點(diǎn)，中學(xué)生們也發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)理論的矛盾之處。

他們還發(fā)現(xiàn)了更多的一些證據(jù)，比如并非所有魚類都有魚鰾，比如軟骨魚類，鯊魚就沒有魚鰾的結(jié)構(gòu)，硬骨魚也并非都有魚鰾，我們常吃的羅非魚就不具有普通的魚鰾。

顯然幫助魚類在水中上下自如游動(dòng)的應(yīng)該有其他裝備，學(xué)生們認(rèn)為魚類主要還是依靠胸鰭和腹鰭的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到在水中上浮和下潛的效果。

魚鰾雖然不具有主動(dòng)的調(diào)節(jié)能力，但它作為一個(gè)穩(wěn)定的存在可以讓魚自身的重力與浮力被動(dòng)地保持相對(duì)的平衡，從而節(jié)省能量。

具體來說，在魚通過鰭的運(yùn)動(dòng)下潛時(shí)，魚鰾因?yàn)閴簭?qiáng)增大而體積減小，越往下沉就浮力就越小，這種被動(dòng)變化能夠幫助魚類下潛。

同理，魚類上浮時(shí)，魚鰾因?yàn)閴簭?qiáng)減小而體積增大，越上升浮力越大。簡(jiǎn)單來說，魚鰾的作用是讓魚整體與其棲息深度的水相似的密度，但這是一種不穩(wěn)定的平衡，上浮或下潛都會(huì)打破平衡，需要耗費(fèi)更多的能量回到平衡。

如果打一個(gè)簡(jiǎn)單的比方，就類似于放在坡頂?shù)男∏颍盎蛲蠖紩?huì)加速落下，只有頂部的小區(qū)域才能夠保持平衡。如果把一條被麻醉昏厥的鯉魚放在容器中，自然狀態(tài)下它會(huì)浮在水面上，但在開口處加壓模擬深水層的環(huán)境時(shí)，壓強(qiáng)達(dá)到一定程度后，鯉魚就會(huì)沉到底部。

相反，深海中的魚類迅速上浮就會(huì)，魚鰾被動(dòng)膨脹，以至于僅憑它們自己的運(yùn)動(dòng)很難重新回到深處，嚴(yán)重還會(huì)觀察到魚鰾脹破的現(xiàn)象。

比如漁民捕撈生活在十幾米深的小黃魚，很容易發(fā)現(xiàn)這些小黃魚的魚鰾幾乎沒有完整的，有的還會(huì)因?yàn)轸~鰾過度膨脹而把內(nèi)臟擠出體外。

對(duì)于大多數(shù)魚類來說，魚鰾的作用并不是主動(dòng)控制沉浮的升降器，而是一種調(diào)節(jié)器官，可以通過緩慢的進(jìn)氣排氣來適應(yīng)魚類棲息的水層。

但是對(duì)于底棲魚類來說，魚鰾的作用就比較小，一般會(huì)較為退化，另外一些長(zhǎng)期快速游動(dòng)的魚類，如金槍魚，魚鰾也不發(fā)達(dá)。

對(duì)于某些生活在極淺水域的魚，它們可能并不需要魚鰾來調(diào)節(jié)浮力，但它們可能把魚鰾玩出花來，非洲肺魚每年都要經(jīng)受旱季的挑戰(zhàn)，在枯水時(shí)期它們鉆入淤泥中，魚鰾此時(shí)可以發(fā)揮類似“肺”的作用。

最后，魚鰾也不僅僅是一件生存裝備，也可以是求偶裝備，比如石首魚科的代表大黃魚，它們通過魚鰾和肌肉、脊椎骨的摩擦發(fā)出響亮的聲音。

長(zhǎng)此以往它們的魚鰾也進(jìn)化更加發(fā)達(dá)和厚實(shí)，終于成為了花膠雞煲中的頭牌食材。

林秋甘,林國彬,楊光義.魚鰾的研究進(jìn)展[J].西北藥學(xué)雜志,2019,34(05):709-712.

葉澍.魚鰾的功能[J].海洋世界,2016(06):6-7.

馬國紅,師吉華,杜興華.鰭和鰾對(duì)魚類游泳行為的影響[J].河北漁業(yè),2007(12):13-14.

裴建華.魚的浮沉與魚鰾的作用的另一種解釋[J].物理教師,2006(06):30.

賽林霖,賽道建,尹玲,苗秀蓮,梁春明.鰭和鰾在魚類沉浮行為中的作用[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(01):124-126.

李繼武.魚鰾和魚的沉浮[J].焦作教育學(xué)院學(xué)報(bào),2000(01):32-33.

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原標(biāo)題：《為什么魚一死就漂在水面上，而仿生的潛艇炸了會(huì)沉沒？》

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