深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
一个薄铁片如果我们从一侧用力推它,这个铁片很容易变变弯曲,如果我们在铁片的两边同一位置,用同样的力气推铁片,这个铁片是不会弯的,如果是人用手推的话,这铁片也不会变薄,如果把这个铁片放在万吨水压机下去压,铁片不会弯曲但厚度会变薄。这是因为在铁片同一位置施加相等大小相反的力方向的力时候,铁片受到的两个力是抵消的,所以切片就没有弯曲。
在深海里面的道理和这个铁片是一样的,题主说的金属会被压扁,应该是金属密闭容器,比如说潜艇,潜艇之所以下潜到一定深度以后就会被压扁,是因为潜艇为了保证里面人员的生存,潜艇内部的压压力是正常的大气压力,而潜艇外面却承受着比内部大了几千倍,上万倍的压力,潜艇在深海收到的压力是单面的,像以一种铁片。所以潜艇要不变形,就必须靠潜艇外壳的强力支撑,但这种支撑力因为材料的限制是有限度的。而如果把潜艇的密封舱打开,让内外都进入海水,那么这个潜艇下潜以后基本上不会有什么大的变形,但这个时候人却没法在里面生存了。
深海鱼类之所以能在深海生存道理也是一样的,深海鱼类通过嘴和内脏保持着身体表面和体内受到的压强是一样的。鱼在深海中并不会承受像潜艇那样来自海水单方面的巨大的压力。鱼所承受的是深海巨大的水压压在身体上,像实验中的铁片一样,虽然两边同时压钢片钢片不会变形,但是钢片本身却承受着来自两边的压力,这个压力如果十分巨大的话,也会将铁片压的更薄。而深海鱼类在应对这种压力的情况下,身体的皮肤、细胞、骨骼为了适应这种环境,进化的更加的合理,而且没有了浅水鱼体内那种鱼鳔。所以他们和浅水鱼相比,更能够适应深海的生存环境比如深海鱼都很扁,像个薄片,骨头很小很薄甚至没有,身体柔软等等。但他们这种适应深水环境的身体结构,却不能适应潜水,当被打捞上来的时候,往往就会因为细胞或者是内脏无法承受压力变化而破裂死亡。
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深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
在海洋中,每下降10.3米增加一个大气压,马里亚纳海沟底部可达到1000个大气压,足以将潜艇压扁,但是那里依然生活着不少的鱼类。
金属在海底也未必会被压扁,有些沉船是因为破损进水,最后船体内外都是海水,每块钢板内外的压力是比较均衡的,不会立马压扁,不过也会逐渐变形;反而是潜水艇那样的密闭设备,如果潜的过深,内外压力不平衡,超过钢铁能承受的极限后,潜水艇就是被压扁。泰坦尼克号沉没后,至今也没有被压扁,内部空间充满水,成为了海洋生物的乐园。
深海的鱼类与浅海的鱼有很大的不同,首先它们体内没有或者仅有很小的一部分空腔,这就使得它们不需要平衡空腔和海水的压力;其次,深海一些鱼类皮肤透水性较好,海水可以自由出入,生物体内无骨或者有比较薄、韧性比较好的骨头,可以随着海洋压力的变化而改变形状,自由进出的海水,在生物体内外都形成一定压力,压力均衡。
我们经常听说的深海鱼类拿出海面就会立即爆炸的说法并不准确,像拥有上述身体结构的鱼类,体内没有空气空腔,并不会发生爆炸。对它们来说,血液中融氧因为气压降低的析出才是致命的,类似于潜水员过快的从深水处浮上睡眠患“减压症”,造成组织的损伤。
深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
人类游泳通常不建议到50米以下,但人类最深的潜水实际上是300米,这太不可思议了!在那个深度,压力很大,但与更深的深度相比,这算不了什么。很难相信有些生物可以不被压碎而生存下来,有许多鱼类和海洋生物可以在水下3000米处存活!
在海底,人体会在极度的压力下被压碎,我们的耳膜会破裂,我们的肺会充满血液然后不能呼吸,窒息会是瞬间的。事实上,这一系列可怕的事件只会发生在水面下1000米的地方,更不用说在几公里以下的黑暗了。
尽管人类在这些深度的压力面前很脆弱,但是海葵、蠕虫、鱼类、鲸鱼、海豹、螃蟹和成千上万的其他海洋生物能毫不犹豫地承受着压力。虽然这似乎不可能,但请记住压力就是平衡。
当人类潜入水下时,我们感觉到的压力来自于我们体内被压缩的空气。我们的耳朵和鼻窦里有空气,还有肺和血管。水压会很高,导致空气在器官系统和组织中压缩。
然而,水是不可压缩的——这是气体和液体的主要区别之一。鱼体内没有可以压缩的气孔,主要由水组成,所以压力差保持平衡。
然而,鱼类并不是唯一在如此深度发现的生物。一些鲸鱼、海豹和其他鲸目动物能够潜入近3000米的深度。这些生物的肺和血管系统与人类有些相似,这怎么可能?
对于抹香鲸这种可以说是潜水最深的鲸类动物(不到3000米),压力无疑是一个问题,但它们进化出适应深海生活方式的能力。例如,这些深海哺乳生物的肺是完全可压缩的,这意味着它们可以迫使肺中的所有气体进入血液和肌肉,在那里,气体在压力下基本上可以溶解。这些器官已经适应容纳更多的肌红蛋白(肌肉中的储氧蛋白)和血红蛋白。
肺的压缩也阻止了肺泡的气体交换,从而阻止了氮气进入血流,如果人类深海潜水员从很深的地方升得太快,这将导致肺气肿。本质上,当溶解的气体以气泡的形式出现在人类血液中时,这可能是有害的,甚至是致命的。许多深海潜水生物自然学会了如何在水中缓慢上升,像人类一样减压以防止这种痛苦的状况。
如果没有体腔和组织中的气孔,深海生物不再像我们的身体一样容易受到压力的影响。此外,虽然有些生物的耳道中确实有空气(有些甚至在它们的头腔中有鼻窦),但是排列在这些腔中的组织通常是高度柔性的,并且容易膨胀,从而挤出空气并防止压差。
在一定深度以下,具有复杂器官系统的高级生物(除了海葵、蠕虫和某些节肢动物)根本无法生存。允许鱼类潜入7500米深处的是一种叫做氧化三甲胺的特别亲水的物质,这种物质可以防止蛋白质和其他重要分子在强烈的外部压力下在体内变形和压缩。
然而,在更极端的深度,这种分子不再能保护鱼类免受这种基本的生理压力,所以鱼类和海洋生物的深度是有限制的。对于那些确实存在于海底的奇异生物来说,研究是非常困难的,因为当它们被带到海面时,大多数都会因为缺乏压力而死亡。它们的膜是如此独特地适应,以至于除了极端的压力之外,它们不能保持身体的完整性。
深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
深海里水压很大,每下降约10米就增加一个大气压的压力,对于水下上千米的鱼儿来讲,实际上承受了几百来个大气压,这些压强足以把具有空气空腔的坦克和潜水艇压扁,为什么这些鱼儿还能自由的游来游去?
根据达尔文生物演化理论,自然选择是演化的重要推动力,当深海鱼类为了适应深海的环境条件,种群就会发生演化,具有有利变异的鱼类就能够在深海中存活,繁衍并遗传给后代,这些演化要经历很多代,有时会需要长达上百万年的时间。
对于深海鱼类,它们经过长期的演化,鱼类的骨骼变的非常薄易弯曲,肌肉也进化的非常柔韧,同时,鱼类体内的生理组织也充满水分,体内不存在空气空腔,这使得鱼儿的体内与体外压力平衡。
深海鱼不光是体内生理结构的变化,外表与浅水鱼也有明显差别。这是由于深海环境的黑暗,谁也看不见谁,于是深海鱼类一般就放飞自我,有个性的随便长。深海鱼外貌都是丑出天际,这也算是自然进化的副作用吧。
深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
内外压强相等?不存在的,内外压强相等的前提是你要能够承受住那么大的压强才行,上图中左边是1个大气压下的塑料杯,右边是深海1500米也就是150个大气压下的塑料杯,很明显深海1500米对于塑料杯来说,杯内和杯外都是一样的压强,因为它没能承受住那么大的压强而被压扁了。我们能看到一些深海鱼类,动辄生活在深海8000多米的深度,这里相当于800多倍的大气压,相当于北京地铁晚高峰13万倍的压强,换成是人类早被压成肉泥了。
深海鱼能抵抗那么高的压强是因为它们细胞的组成结构和浅水鱼有很大区别。(1)科学家发现深海鱼类细胞膜上镶嵌的蛋白质体积更小,数量更多,从细胞构成上将结构变小,有利于对抗海水压强。(2)深海鱼细胞膜上的磷脂大多都由不饱和脂肪酸来构建的,磷脂的流动性会更高,更舒展,也有利于抵抗高压环境。(3)鱼鳔内的气体容易受到水压压迫,所以深海鱼体内没有鱼鳔。
(4)深海鱼一般体态较为柔软,避免了皮肤和海水对峙,也是对抗高压的一种方式。
人类目前为止发现的最深的海洋生物是在2014年,位于马里亚纳海沟8145米发现的一种软体鱼类。这类深海鱼已经从细胞组成上和浅水鱼有了巨大差异,如果将深海鱼捕捞上岸,由于外部气压太小,细胞内的物质会渗出,深海鱼很快就会死亡。
深海压力那么大,金属都能压扁,为什么鱼却没事?
常规认为一般超过2000米深的海域就可以被称为深海区了。P=ρgh这个公式大家一定都很熟悉,知道重力常数和海水的平均密度,很容易求出具体深度海水的压强,大约是每下降10米,就会增加1.3个标准大气压。也就是说超过2000米深的海域压强都将超过26Mpa。马里亚纳海沟最深的地方达到11034米,压强会超过100Mpa。
这样的压强已经非常大了,但是想把金属轻松压扁也并不是那么容易,具体可以去看一下大型水压机的资料。海底就存在曾经船的残骸,主要原因就是船损坏后四处空洞,里边充满了水,内外一样压强就压不扁了。当然一些钢板可能是会变得更扁的。大导演卡梅隆就曾亲自下过马里亚海沟,拍成了纪录片。当然这归功于他的强大深海潜水器,这种防止被压扁存考潜水器本身的刚性和抗压性。
而深海鱼抵抗高压的方式与之正好相反,首先它们并没有鱼鳔体内没有气体,其次它们的骨骼、组织等都是柔软通透的,更利于海水进入身体,内外保持压强平衡。好多深海的鱼都是比较扁平的,这也证明深海的压强对它们也会造成影响的,现在的体型可能是不断进化的最合适的体型结构。
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