张磊
连呼吸都要浮出水面的鲸类,在海里睡觉怎么不会被憋死? 精选
2019-10-9 21:24
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  鲸类重返海洋,是进化史上最让人惊叹的事实之一。为了适应新环境,鲸类克服了诸多障碍,并成了海洋中最特殊的“不速之客”。

  例如,流线型的身体、特化的鳍状肢、毛发退化和鲸脂层增厚等,都减少水中阻力,让其在水下畅通无阻,活像一条鱼。但鲸并不是鱼,和我们一样,鲸类属于哺乳动物,同样用肺呼吸。

  进化,并不会完全抛弃既有的系统,而是一个在已有的基础上缝缝补补的过程。本来就用肺呼吸的鲸类祖先,很难再演化出鱼类的鳃以利用溶在水中的氧气。

  而这也带来了一个鲸生难题——它们到底是怎么睡觉?总不能像尿频一样,半夜总是起来换气吧?

  

  

  我们先来看鲸类是怎么在海里创造憋气极限的。很多人都知道,它们每隔一段时间就必须浮到水面呼吸。这就像是我们去游泳一样,时不时也得换气。

  而5000万年的演化历程中,也让它们的“鼻子”从脸部移至头顶,我们称之为“气孔”(blowhole)。其中,须鲸有两个气孔,而齿鲸则只有一个气孔。

  

  当肌肉放松时,气孔就会被肌皮瓣膜覆盖,保持关闭的状态,这适用潜入水中。只有当浮出水面时,它们才会控制气孔打开,将气体喷出并吸入新鲜空气。

  所以说,除了可自主控制开合的气孔外,鲸豚类与我们的呼吸方式并无本质差别,都由植物神经掌控。

  而这也意味着,它们和人类一样都不会忘记呼吸,并且不能靠憋气自杀。不过,在陷入惊慌,来不及浮上水面呼吸的情况下,它们倒是会因窒息而亡。

  

  而我们平时看到的鲸头顶“喷水”,也并非真的有海水从其气孔喷出。这其实是喷薄而出的温暖水蒸气遇冷后凝结成的水珠。从远处看,这便像一条水柱。而这现象,与我们冬日里哈气形成白雾的原理是一样的。

  另外,因为每种鲸都拥有相对独特的气孔,经验丰富的观鲸者甚至能根据水柱形状识别特定物种。

  

  座头鲸头顶的两个“鼻孔”

  鲸和海豚们换气,是极其高效的。体型较小的海豚,只需一秒就能完成换气,而最大的蓝鲸也只需几秒钟。另外,把“鼻孔”安在头顶,也是更有利于它们在未完全浮出水面的情况下快速换气。

  吸一口新鲜空气,就能供他们在海里潜行一段时间了。例如,抹香鲸深吸一口气,就可以下潜至2000多米深的海域,下一次浮上至海面呼吸,就已经是两个小时以后了。不过,自由潜水的世界纪录保持者则是柯氏喙鲸,它们最深能下潜至2992米的海底。

  

  人类自由潜水,是一种危险的极限运动

  而人类在水下屏住呼吸最长时间不过19分钟。另外,人类自由潜水深度纪录则为170米,但这项纪录的创造者却在返回水面过程中因事故身亡。

  

  那为什么鲸类能憋气这么久?其实,在哺乳动物体内,存在着两种与氧气相关的重要蛋白,分别为血红蛋白肌红蛋白

  其中,血液中的血红蛋白能将大气中的氧输送给机体。而肌肉中的肌红蛋白,其功能则是贮存氧气,当机体需要时再释放。因此,即便屏住呼吸一会儿,肌红蛋白也能为身体供氧。

  而与人类相比,鲸类无论是血红蛋白,还是肌红蛋白的浓度都比人类高。所以,鲸类也能更加高效地运输和贮存氧气。

  

  鲸鱼肉。肌红蛋白能使肌肉呈现红色,于是肌红蛋浓度极高的鲸类,其肌肉颜色几乎是红得发黑。

  在静息时,人类每分钟呼吸约为12至20次,但每一次呼吸仅能消耗肺吸入氧气的15%。而这也意味着,人类呼出的气体中还有大量未经利用的氧气。但鲸类对氧气的利用率却高得多,高达90%的被吸入氧气都能用到实处

  另外,相比陆地上的哺乳动物,鲸类的肌红蛋白还进化出了一些适应深潜的特性。一般来说,肌红蛋白浓度越高就越容易聚集在一起,储氧能力也会随之被削弱。但科学家却发现,深潜海洋的哺乳动物其肌红蛋白表面电荷会增加。

  

  肌红蛋白的螺旋结构域模型

  这使得肌红蛋白之间相互排斥,更不容易聚集在一起。因此,稍长潜水的鲸类就算肌红蛋白浓度很高,其储氧能力也不受影响。当然,这只是它们深潜千米都不带喘气的秘诀之一。它们还能通过外围血管的收缩,保证低氧敏感组织或器官的氧供给等。

  这样看来,练就了憋气神功的鲸类,在海洋中睡个好觉也不算难吧?但憋气时长,其实与它们睡眠时长的关系并不大。

  

  毫无疑问,鲸豚类也是需要睡觉和休息的。根据以往对圈养和野生鲸豚类的观察,科学家就将它们的睡眠姿态分为两类,一种是呈垂直或水平的姿势在水面附近漂浮,另一种则是在同伴的陪伴下缓慢地游动

  而这些状态也被称为“logging”,因为漂浮在水面附近的鲸类就像一块巨大的浮木。

  

  图片来源:STEPHANE GRANZOTTO

  例如,2008年时,英国和日本的生物学家,就拍摄到了一群抹香鲸聚众睡觉的画面。一共30多只成年鲸围在一起,垂直地漂浮在水面附近,就连船只在旁边经过它们都没有反应。

  而通过观察,船上的研究人员发现它们每天只会花7%的时间睡觉,而每次大约10到15分钟。相比于人类一睡就是一宿的状态,这种方式顶多叫做打盹,自然不会窒息。

  由此可见,抹香鲸能长时间憋气,并非是为了睡大觉。事实上,憋气反而是为了深潜,以获得更深处海域的丰富食物。

  

  图源:HOWSTUFFWORKS.COM

  其实在自然界,动物们的睡眠时间并非都如此严格。例如,长颈鹿就几乎不怎么睡觉。它们每天只能享受30分钟的深度睡眠,而这30分钟还会分成碎片化的好几次,一次只有几分钟。

  在捕猎者的威胁下,警觉的长颈鹿一般会选择站着打盹。不过,在相对安全的动物园里长颈鹿还会四腿跪下,将脖子搭在屁股上睡觉。而圈养状态下的长颈鹿,其睡眠时间也较野外状态长得多。

  

  以屁股为枕的长颈鹿

  另外需要注意的是,并非所有的鲸豚类都是憋气高手。例如某些海豚,不到十分钟就需要换气一次了。但科学家却发现,它们在晚上竟能进入更深层次的睡眠,而且一次就会睡上几个小时。

  脑电图(EEG)数据显示,宽吻海豚平均每天就有33.4%的时间在睡觉。这睡眠时长已与人类相差无几,甚至比人类还要长。

  

  而为了保证呼吸的畅通无阻,它们的解决方案是只让一边的大脑进入深度睡眠状态,另一边的大脑则保持清醒。

  这被称为单半球慢波睡眠(Unihemispheric slow-wave sleep ,USWS),也叫不对称慢波睡眠。

  

  脑电图显示的慢波睡眠,图源:维基百科

  从入睡到清醒分为两大阶段:快速动眼睡眠期与非快速动眼睡眠期。而慢波睡眠,其实也就是非快速动眼睡眠期,这是睡眠过程中身体能够得到完全舒缓和放松的关键时期。而这一阶段的睡眠,也正是我们俗话说的深度睡眠,不容易被唤醒。

  但是,单半球慢波睡眠这种独特的睡眠机制,则能让海豚们在进入深度睡眠的同时保持警觉。

  那另一边清晰的大脑,除了能保证睡眠中自主呼吸,还帮助它们发现潜在的威胁,及时避开捕猎者。

  

  进入单半球慢波睡眠状态的麻雀。图源:维基百科

  此外,这种特别的睡眠模式,也普遍在鸟类身上被发现。所以,当你看到一只鸟睁一只眼闭一只眼时,那可能就是它们正在睡觉了。同样,进入单半球慢波睡眠状态的海豚,也是只闭上单只眼睛,那只睁开的眼睛,依然能洞察险情。

  更有趣的是,如果让绿头鸭站成一排,最边上的鸭子睡觉时还会把朝向外的眼睛睁开。这时,这只睡着了的鸭子依然能看到捕猎者的一举一动,好帮自己的伙伴放哨。

  

  观察绿头鸭半球慢波睡眠的实验箱

  更夸张的是,在一些鸟类的长途飞行中,半球慢波睡眠还能助它们实现边飞边睡的神技

  例如雨燕自出生学会飞行后,就几乎不降落了。有纪录显示,它们能在空中逗留长达两年的时间。而在飞行期间,它们也只能在天空中睡觉了。

  

  普通雨燕,也就是传说中的“没有脚的雀仔”,其脚已经退化到只能攀附,难以站立

  

  尽管我们无法确切知道“只用半个大脑睡觉”是什么感觉的,但这很可能类似于我们的“认床”

  很多人在新环境的第一夜,都会产生一种睡得迷迷糊糊、半梦半醒的情况。而研究已发现,这其实也是一种轻度的不对称睡眠。在陌生环境下睡觉,大脑的两个半球的状态是不同的,其中左半脑会更加“清醒”一些。

  而这其实也是一种保护机制,新环境也意味着危险,人类自然会更加地警觉。但幸好,当熟悉了这一陌生环境,我们就又能睡得像一头死猪了。


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