由海螵蛸、魚螵到潛水艇

三國時(shí)代，曹操有個(gè)小兒子叫曹沖，自幼就聰明過人，深受曹操寵愛，常常陪伴在曹操身邊。曹沖7歲那年，有人送給曹操一頭大象，曹操想知道這頭大象有多重，但是，當(dāng)時(shí)還沒有一桿秤能稱得起大象，曹操問左右隨從，大家都無計(jì)可施。曹沖卻想出一個(gè)辦法，讓人將大象牽上一條船上，由于象身的重量，使船身下沉一截，這時(shí)在船身和水面交界處劃上一個(gè)記號(hào)，然后將大象牽回岸上，船身又上浮至原處，再命人將一筐筐石頭搬上船，直到船身又下沉到所畫記號(hào)處為止，最后將石頭分筐稱重，相加起來的數(shù)目就是大象的體重。曹沖用物體的重量與沉浮的關(guān)系，巧妙地解決了這個(gè)難題，曹沖稱象的故事也流傳至今。

物體為什么會(huì)沉??？這是由于浮力作用，浮力是物體浸沒在流體（如水）中所受各方向流體靜壓力的合力，大小等于被物體所排開流體的重量，方向鉛直向上，當(dāng)物體的比重小于浮力時(shí)，物體就浮上來，否則就沉下去。阿基米得原理說的就是這個(gè)道理。

人們根據(jù)沉浮原理成功地制造了潛水艇，這種能在水下作戰(zhàn)的艦艇在歷次海戰(zhàn)中都顯示其戰(zhàn)斗力，它能下潛離水面深達(dá)500米，具有良好的隱蔽性和續(xù)航力，能從水下襲擊水面艦船和岸上目標(biāo)，也能作偵察、布雷和運(yùn)輸?shù)?。最初，人們也是將石頭或鉛塊等重物裝進(jìn)潛艇，使?jié)撏鲁粒兜羰^或鉛使?jié)撏е馗∷?，這種潛艇當(dāng)然不能下潛太深，而且費(fèi)事，上浮后再要下潛，則又要從岸上取得石頭。后來改進(jìn)了，用浮箱充水取代石頭，使?jié)撏鲁?，要上浮時(shí)，用壓縮空氣通入浮箱排水，并可通過調(diào)節(jié)使艇身周圍海水的比重相等就能保持潛艇在水中一定深度，不浮不沉，這種潛艇非但省事得多，而且可以控制潛水深度，自由沉浮?，F(xiàn)代又用核動(dòng)力作為推進(jìn)動(dòng)力制成核潛艇，水中排水量達(dá)到萬噸以上，水下續(xù)航力達(dá)20萬海里，自持能力達(dá)2～3月。從原始的潛艇到現(xiàn)代的核潛艇都是以沉浮原理作為基礎(chǔ)。然而，早在人類出現(xiàn)以前，許多水中動(dòng)物已經(jīng)具有很好的潛水本領(lǐng)，具有令人贊嘆的浮箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

烏賊被列為我國四大海洋漁業(yè)之一，這種軟體動(dòng)物由于足基在口四周分裂成10條腕，所以在分類上屬于頭足綱。它的身體背側(cè)皮膚褶襞向下伸展形成外套膜，含有豐富的肌肉，外套膜所包圍的空腔稱外套腔，內(nèi)臟等均位于其中。在外套膜內(nèi)有一塊“骨板”，中藥稱為海螵蛸，呈兩頭尖平，中間寬厚的扁流線型。如果把它掰開，可以見到內(nèi)部為疏松多孔隙的石灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，空隙處可充滿氣體或水，如果把海螵蛸撳入水中，手一放開，它立即浮上水面。烏賊按照自己所需的潛水深度來調(diào)節(jié)海螵蛸孔隙內(nèi)含水和氣體的混合比例。海螵蛸起到相當(dāng)于潛艇的浮箱系統(tǒng)的作用；烏賊通過海螵蛸來控制沉浮。

一些有鰾的魚，鰾就是它們的浮箱，而且更為輕巧。從發(fā)生上看，鰾是由食道上分出來的一個(gè)小泡發(fā)展而成，通常呈長囊形，有的呈馬蹄形，如鯰魚有的由中間凹陷成兩個(gè)囊狀。如鯉魚有的鰾上分出一些盲囊，如鱈魚鰾壁由內(nèi)外兩層組成，外層是扁平或柱狀的皮膜組織，內(nèi)層是彈性纖維性的結(jié)締組織，使鰾能承受內(nèi)外壓力。有的魚鰾有一短小的鰾管與食道相通。有的魚沒有鰾管，鰾內(nèi)壁一般是光滑的，但也有分隔的，魴鮄魚的鰾由一縱隔分成左右兩室，很多種鯰魚的鰾內(nèi)有T字形的隔把鰾分成三室。雀鱔的鰾內(nèi)成蜂窩狀。如果用腳去踩破一個(gè)鰾，會(huì)發(fā)出“啪”的響聲，證明鰾內(nèi)充滿氣體，鰾內(nèi)的氣體主要是氧、氮和少量的二氧化碳。海水魚比淡水魚鰾內(nèi)含氧氣多，一些深海魚的鰾含氧更多，幾乎占到90%左右，鰾內(nèi)氣體是由鰾壁血管內(nèi)的血液中分離出來的。一般來說，有鰾管類的微血管多半集中在鰾內(nèi)面一二處，呈斑狀，叫紅斑；無鰾管類微血管形成腺狀，叫紅腺。根據(jù)檢測，深海魚類血液中氧氣的壓力大約是空氣的⒈5，魚鰾內(nèi)的壓力則為40大氣壓以上。魚又是怎樣把血液中的氣體壓入這樣大的氣壓的鰾內(nèi)呢？是通過紅腺和紅斑分離氧的作用。當(dāng)血液流至紅腺和紅斑處，這里的細(xì)胞把血球中與血色素相結(jié)合的氧氣分離成游離狀態(tài)的氧，使它變?yōu)轺B內(nèi)氣體，當(dāng)魚下沉?xí)r，鰾內(nèi)氣體又回到血液中去。魚類居住的水層愈深，鰾內(nèi)含氧愈多，紅腺和紅斑也愈發(fā)達(dá)，這一點(diǎn)可以證明鰾內(nèi)氣體的出入與血液有關(guān)。有鰾魚類調(diào)節(jié)鰾內(nèi)氣體的變化來控制魚體的沉浮，鰾內(nèi)氣體多，魚體比重減少，就浮上來，鰾內(nèi)氣體減少，魚體比重大，就沉下去，如果使身體比重與環(huán)境水的比重相等，就不沉不浮，保持一定位置。

鰾是魚類特有的調(diào)節(jié)身體沉浮的器官，但是并不是所有的魚都有鰾。由于鰾內(nèi)的氣體充入或排出過程，即使最快，也總要有一個(gè)時(shí)間。如果魚需要緊急下潛或上浮，這時(shí)鰾反而起著一個(gè)阻礙作用，所以有些快速游泳的魚，如藍(lán)點(diǎn)馬鮫魚、青甘金槍魚和所有的軟骨魚以及一些深海底棲的魚類都沒有鰾，但是它們?nèi)阅茏杂傻厣细∠聺?。如果說人類靠自己的智慧發(fā)明浮箱來解決潛艇的沉浮，并沒有及時(shí)地從魚鰾中得到什么啟發(fā)和幫助，那么人們?nèi)粝朐O(shè)計(jì)沒有浮箱的新型潛艇，是不是可以從無鰾的魚類和其他水生動(dòng)物中得到一些啟示和幫助呢？

到海底去，除了要解決沉浮問題外，如何抵抗深海的巨大壓力也是要解決的。人平時(shí)所承受的大氣壓力約為每平方英寸15磅，而水下3000英尺深度的壓力達(dá)到每平方英寸四分之三噸。用作科學(xué)考察的美國特里斯特號(hào)深海潛艇能下潛35800英尺，那里的壓力超過每平方英寸16000磅，仍然有魚類活動(dòng)。為了抗壓，潛艇的外殼大都采用抗高壓合金鋼；特里斯特號(hào)的乘客艙的外殼厚度達(dá)到7英寸。然而，不管是烏賊還是魚的皮膚與它相比又是顯得多么薄，深海潛水艇的沉浮系統(tǒng)沒有采用浮箱，而是用一艘充滿比水輕的航空汽油的“氣船”，它既能沉浮又能抵抗深海的巨大壓力，球形的乘客艙連接在“氣船”的下面。有一種深海烏賊叫酸漿烏賊，它具有類似深海潛艇所用的”氣船”的構(gòu)造。大多數(shù)烏賊的體腔都已退化成圍心腔、腎管內(nèi)腔和生殖腺外面的囊腔等，而酸漿烏賊還存留有真體腔的地方，腔內(nèi)充滿一種比水還輕的含氨液體。這個(gè)低密度液體”氣船”幫助酸漿烏賊上浮，并起有抵抗深海壓力的作用。