巧妙的力学结构
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摘要:鱼鳔是鱼类的重要器官,关于它的作用一直不是很明确。如今主要有四种不同的观点,本文在讨论了现有的观点后,从力学角度着重分析在鱼体结构中所起到的保护作用,提出新的看法。
关键词:鱼鳔;力学结构;保护作用
在文章的开头,我们先简单地描述一下鱼鳔的特征:它主要是由弹性纤维组成的密闭气囊,韧性非常好,不易损坏,它的表面光滑,内部充满气体,淡水鱼以氮气为主,咸水鱼以氧气为主。
鱼鳔在汉语词典中的解释为:指鱼体内可以胀缩的白色囊状器官,里面充满氮、氧、二氧化碳等混合气体。收缩时鱼下沉,膨胀时鱼上浮。近几年来,有些人又提出了不同的观点。总结一下,主要有四种:一、通过充放气体改变整个身体比重来控制鱼的上浮和下沉;二、靠肌肉来控制鱼鳔的胀缩进而调整身体的比重,使鱼保持在某一个水层;三、减轻体重;四、辅助呼吸或听声音等生理功能,这个观点,本文不做讨论。
那么,上述观点哪个正确呢?
第一种观点对我们的影响很大,因为它是很多教科书所持的。如果它是正确的,那么鱼类就可以垂直上浮或下沉,并且下沉时因为要排出鱼鳔内的气体,水中会有气泡出现。笔者在实际的观察中并没有发现这些现象。另外,鱼类的上升和下沉非常频繁,很难想象它是如何实现气体的充放的。再有,排气还好说,充气呢?气体从哪里来呢?不可能是鳃从水中提取的氧气吧。而鱼鳔是密闭的,也不可能实现充放气体,无论是日常生活中还是实验室中的鱼体解剖,我们所看到的鱼鳔总是充满气体,鼓鼓的。那么,鱼类是靠什么实现沉浮的呢?鱼鳍!人们在游泳时可以轻松地靠四肢来完成上浮和下沉,如果说鱼类不能用鱼鳍来实现浮沉的话,就等于说鱼类不会游泳。
再来看看第二种观点,在讨论它的正确与否之前,我们先简单了解一下鱼鳔的位置。鱼鳔的上方是坚实的脊柱,左右两侧是坚韧的肋骨和厚实的肌肉,下部是重要而脆弱的内脏,说到这里你也许能猜到我往下想说什么了。假设鱼鳔可以收缩和膨胀的话,那么它会影响到哪个部位呢?只能是它的下部分——脆弱的内脏器官,而根本不会改变整个身体的体积。鱼类也绝不允许它的内脏经常受到挤压。因此,我的观点是:鱼鳔不能收缩和膨胀,有人提出的“鱼鳔肌”也根本就不存在。那么,鱼类是靠什么停止在水中的呢?鱼鳍!如果你仔细观察,就会发现,当鱼悬停在水中时,它的鳍(可能是胸鳍、腹鳍或尾鳍等)还在轻轻地摆动,可能幅度很小,也可能频率很低,总之很不引人注意。人们在潜水时,缓慢地摆动手掌也能做到水中悬停,相信鱼类靠鳍悬停比我们用手要轻松得多。
鱼鳔的存在是为了减少体重吗?对于这个问题我不好直接回答,但我想反问一下:鱼类为什么要减少体重呢?减小比重可能只对悬停有好处,但比重越小,它的运动稳定性就越差,受水流等外界因素的影响也就越大。而为了减少体重的大约5%却要占用30%左右的腹腔空间,让人难以理解,鱼类中的鲨鱼就没有鱼鳔。在水中生活的哺乳类、两栖类等其他生物也没有进化出气囊来减轻体重。所以对于这个观点,我个人也不赞成。
那么,鱼鳔究竟起到什么作用呢?
先来看一下下面的示意图,它是鲤鱼的肋骨和脊柱示意图。从常识中,我们知道鱼的肋骨非常坚韧,很难折断,但是肋骨与脊柱的联接处却非常脆弱,当它受到较大的压力或外部冲击时,容易断裂,如图一所示。而实际上很少有肋骨折断的鱼,原因就是鱼鳔起了保护作用。我们在图一中加上鱼鳔,如图二所示。鱼鳔对肋骨就形成了支点(图二中A处),肋骨承受外力的情况发生了变化,在与脊柱的联接端存在沿箭头B所示的力,但根本就不会在此断裂。别忘了,在肋骨的上边和外侧有发达的肌肉组织,外部还有皮肤,它们对肋骨的上部和外侧起到了可靠的保护作用。这样,因为鱼鳔的存在,改变了肋骨的受力形式,避免它在与脊柱的联接处断裂,起到了保护肋骨的作用。因为所有的肋骨都需要保护,所以鱼鳔总是充满整个腹腔上部的。而鱼鳔是由两个分开的密闭气囊组成,是为了便于游泳时头部和躯干的摆动。
鱼鳔的大小、形状、薄厚等与鱼生活的水域环境、体型等因素密切相关。比如说海水比河水宽阔得多,海鱼受到外界冲击力的机会比较小,因此很多海鱼就不需要过于坚韧的肋骨,比较软的肋骨在水压的压力下向里发生弹性变形,所以较小的鱼鳔就能起到肋骨的保护作用。而河水水域非常狭窄,河鱼的生活环境就复杂得多,它可能受到波浪的拍打,可能受到激流的冲击,还可能撞到植物或石块上。所以河鱼必须有坚韧的肋骨,肋骨的弹性变形很小,这就需要较大的鱼鳔才能起到保护作用。鱼鳔的形状是适合它腔体的,一般长条形鱼的鱼鳔又细又长,扁平形鱼的鱼鳔就又粗又短,这是为了充满整个腔体的缘故。鱼鳔壁的薄厚是由肋骨可能受冲击力的大小所决定的,同样生活在浅水层的鱼,肋骨越长力矩越大,对鱼鳔的压力就大,所以,扁平体型鱼的鱼鳔壁就比细长体型的要厚些。生活在河底的鱼类即使它的肋骨比较短,力矩较小,但是它经常会撞到石块等硬物上,受到剧烈的冲击,肋骨对鱼鳔的压力也会很大,所以它的鱼鳔壁也会很厚。
结论,一个简单的鱼鳔就保护了所有的肋骨,真不愧是巧妙的力学结构。在工程设计中我们是否能够受到启发呢?比如,建筑结构设计时考虑采用气囊来支持桁架而减少钢材的使用。仿生机器鱼或新型潜水器的设计也考虑加入气囊来加强强度。我相信,仿鱼鳔保护肋骨的结构形式会逐渐地应用到实际的结构设计中。
参考文献:
[1]刘凌云,普通动物学,高等教育出版社,2009-08-01
[2]匡文起,袁驷,结构力学,高等教育出版社,2006-12-01