鲸鱼为什么老是跃出水面（浮出水面呼吸的鲸类）

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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，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，都有利于减少水中阻力，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，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，而这也带来了一个难题——它们睡觉的时候如何呼吸？总不能频繁浮出水面换气吧。

鲸类是如何创造憋气极限的？

像人类游泳需要换气一样，鲸类每隔一段时间就必须浮出水面呼吸，在5000万年的演化历程中，它们的“鼻子”从脸部移至头顶，被称为“气孔”。

当肌肉放松时，气孔会被肌皮瓣膜覆盖，保持关闭状态，只有浮出水面时，它们才会打开气孔，将气体喷出并吸入新鲜空气。所以，除了拥有可自主控制开合的气孔外，鲸类与人类的呼吸方式并无本质差别，都由植物神经掌控，这也意味着，它们和人类一样都不会忘记呼吸，不过在陷入惊慌，来不及浮出水面呼吸的情况下会窒息而亡。

我们平时看到鲸类头顶“喷水”，其实是喷薄而出的温暖水蒸气遇冷后凝结成的水珠，从远处看像一条水柱，而这现象，与我们冬日里哈气形成白雾的原理一样。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。

座头鲸头顶的两个“鼻孔”

鲸和海豚换气，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，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，就能供它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，下一次浮出海面呼吸，可以是两个小时以后。不过，自由潜水的世界纪录保持者是柯氏喙鲸，它们最深能下潜至2992米的海底，而人类在水下屏住呼吸最长时间不过19分钟。人类自由潜水深度纪录为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。

为什么鲸类能憋气这么久？

在哺乳动物体内，存在着两种与氧气相关的重要蛋白，分别为血红蛋白和肌红蛋白，血红蛋白能将大气中的氧输送给肌体，肌肉中的肌红蛋白则能贮存氧气，当肌体需要时再释放，因此，即便屏住呼吸一会儿，肌红蛋白也能为身体供氧。

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，鲸类能更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，肌红蛋浓度极高的鲸类，其肌肉颜色红得发黑。

在静息时，人类每分钟呼吸约为12至20次，每一次呼吸仅消耗肺吸入氧气的25%，这意味着，人类呼出的气体中还有大量未利用的氧气，但鲸类对氧气的利用率却高达90%。

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肌红蛋白表面电荷会增加，这使得肌红蛋白之间相互排斥，更不容易聚集在一起。

肌红蛋白的螺旋结构域模型

因此，擅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，这只是它们深潜千米都不用喘气的秘诀之一，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。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，鲸类也需要睡觉和休息的，根据以往对圈养和野生鲸类的观察，科学家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，另一种是在同伴的陪伴下缓慢地游动。

图片来源：STEPHANE GRANZOTTO

2008年，英国和日本的生物学家曾拍摄到30多只成年抹香鲸围在一起，垂直漂浮睡觉的画面，就连船只从旁边经过都没有反应。通过观察，研究人员发现鲸类每天只有7%的时间在睡觉，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，鲸类能长时间憋气，并非是为了睡大觉，憋气事实上是为了深潜，以获得更深海域的丰富食物。

图源：HOWSTUFFWORKS.COM

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，但科学家发现，它们在晚上竟能进入更深层次的睡眠，而且一次会睡上几个小时。脑电图数据显示，宽吻海豚平均每天有33.4%的时间在睡觉，睡眠时长已与人类相差无几，甚至比人类还长。

为了保证呼吸的畅通无阻，它们的解决方案是只让一边大脑进入深度睡眠状态，另一边大脑则保持清醒。这被称为单半球慢波睡眠，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个阶段：快速动眼睡眠期与非快速动眼睡眠期。在非快速动眼睡眠期，身体能够得到完全舒缓和放松，这一阶段的睡眠，正是我们所说的深度睡眠，不容易被唤醒。单半球慢波睡眠能让海豚在进入深度睡眠的同时保持警觉，而保持清醒的那一边大脑，除了让它们在睡眠中保证自主呼吸，还能帮助发现潜在威胁，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

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，那它们可能是正在睡觉。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，睁开的那只眼睛，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会把朝向外的眼睛睁开，这时，睡着的鸭子依然能看到捕猎者的一举一动，好帮伙伴们放哨。

观察绿头鸭半球慢波睡眠的实验箱

单半球慢波睡眠还能帮助鸟类在长途飞行中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，它们可以在空中持续飞行长达两年，在此期间，它们也只在天空中睡觉。

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，但这可能类似于人类“认床”。很多人在新环境的第一夜，都会有睡得迷迷糊糊、半梦半醒的感觉。研究发现，这其实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，这其实也是一种保护机制，新环境意味着危险，人类自然会更加警觉，当熟悉了这一陌生环境，我们就又能睡得像一头死猪了。

作者：SME情报员（知乎用户）

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