鱼鳔两气室的作用原理

鱼鳔两气室的作用原理

作者：贾永欣；贾宇轩；贾菲菲；李筱宇

摘要本论文通过解剖和观察鱼的两个鳔室结构，发现鱼是

通过两个鳔室气体流动交换，来完成上浮下潜和任意水层悬

浮状态的，并通过实验的方法来验证了这种结构的可行性，

为了解鱼在水中生存活动而产生的相关力学，提供了一些很

新颖的思路，表现了鱼类在利用浮力方面的巧妙性。

关键词前后鳔室；静止悬浮；自动封闭；显效不显效；

正文：由于鱼鳔多具有两个鳔室，所以这种结构必定有其重要的意义，翻阅此前的研究，未发现关于鱼鳔前后两气室有何具体作用的解释，本文通过对鱼的多次解剖，观察到鱼的两个鳔室结构，对鱼在水中的活动和生存，有着基本性的作用，其主要表现在两个方面。

第一：大多数鱼类，都是依靠前后两鳔室气量的互换，来完成上浮和下潜的。具体的方法如下：见图：

鱼的大鳔室，多呈卵球状，位于肚腔的软腹部位，鱼这里的肌肉和肚膜组织柔软，可以将鱼鳔的涨缩变化清晰的传达出去，作用给水体，这使鱼能达到通过膨胀鱼鳔而变大鱼体积，从而加大鱼体浮力。而鱼的小鳔室基本呈细长型，所处位置更接近鱼的尾部，鱼尾腹部位的肌肉结实而不易变化，它将鱼的小鳔室包围在同鱼脊骨共同构成的间隙中。这样，无论鱼的小鳔室是否被充入气体，都基本不会引起鱼体积的变化，而最终不会影响鱼体的排水量，从而不会影响鱼的浮力。初步来看，在这种情况下，鱼要下潜的时候，便压缩大气室的气体到小气室中去，鱼肚变小，减少鱼体排水量，使鱼的比较密度大于水密度，鱼便自然下潜。而鱼要上浮的时候，便会将小气室中的气体压入大气室中，大气室膨胀，使鱼肚变大，造成鱼体实际排水量增加，鱼体比较密度小于水密度，鱼便因为浮力加大自然上浮。这就是鱼鳔上浮下潜的气室原理，它是由两个显效和非显效气室气体的互换，而有

效改变体积，变化浮力的大小来完成的。但从深层次来看，鱼这种上浮和下潜的浮力变化情况，却可以是自动来完成的。鱼在上浮的过程中，由于越往上层水压越低，随着运动的惯性作用，鱼大鳔室便会因为水压越来越低而不断膨胀，压力相比较更大的小鳔室的气体不断的回流到大鳔室中，这种过程而产生的浮力又会持续性的使鱼上升。这样就形成了一个使鱼一直上升的循环过程，这个过程是由重力和浮力共同完成的，是自然的，而不需要鱼一直摆动鱼尾加力。同样，鱼在下潜的过程中，由于往下层的水压一直在变大，鱼的大鳔室不断的在受到更大的水压力，而将气体不断地压入到小鳔室中，浮力越来越小，鱼便一直自动下沉。这也不需要一个持续摆尾的过程。而只是要一个起始的动力就可以。

对于鱼两个鳔室自动性完成任何水层悬浮的方法和过程，我们可以用一个简单的实验来模拟。其试验方法如下。见图：

找一个很薄的，且弹性很差的气球。（合适塑料袋亦可）将其一端塞进一个细口大肚的玻璃瓶中，外端露出半截，把细口部分塞些东西，而使瓶口只留下很细小的气路。将气球连同瓶内部分吹胀。扎紧口将瓶和气球一起放进水中，加重、或者减重。（或者调整气量）一直将气球和瓶连体调至可以悬浮在水中为止。这时，悬浮在水中的气球和瓶连体只要用一点力向下压一下，其就会一直下沉到水底，向上拉一下，其又会一直向上而浮。无论向下或者向上悬浮，（或者是悬浮后上浮的速度过程缓慢）手的动力，可以很小，只是起到触动的作用，而后是瓶会因为运动而水压变化的情况，而自行下潜和上浮，完全借阻水层的水压变化来完成，而不用加力持续性做功，竟然非常的省力。也就是说，鱼只要一开始动一下，就会不断的自动上浮和下潜，在后期无须再摆动鱼尾加力。这真是一个很巧妙的过程，鱼因为利用了不

同水层的水压，而自动上浮和下潜，节省了很多的体力。是我们以前所没有注意到的。这个过程，只是由大小两个鳔室气体的互换就可以完成。

第二个方面，鱼鳔有使鱼在任意水层中静止悬浮的作用。鱼要生活在水中，就要在任意水层中行动自如，但是，根据游泳的经验我们可以知道，在不划动水的情况下，很难稳定在某一个水层，要么会往水底沉，要么会往水面上漂。如果这种情况发生在鱼身上，会非常麻烦。比如说，鱼要去吃某个水层水草的时候，刚要吃到，但身体却沉了下去，无法食用。当鱼要在水底睡觉的时候，身体却总被浮上水面，使鱼无法休息。这种不运动就无法稳定在某个水层的情况，会给鱼的生存造成很大的不便。那么，鱼用什么办法解决这些问题呢？我们知道，鱼的重量是一定的，根据浮力原理，鱼要悬浮在水中，就要保持鱼体的重力跟浮力完全相等，鱼的重量是一定的，浮力便也要一定的。但每一层的水压是不同的，而不同的水压会使鱼鳔内的气体膨胀程度不同，压力小的水层膨胀大，压力大的水层膨胀小。这样，当鱼要上浮到某一个水层而要悬浮停住的时候，因为减压的关系鱼腹要膨胀，鱼便要压缩大气鳔的气体到小鳔室中去，而使大鳔室的气体减少，这平衡了减压膨胀部分的气体体积，使鱼在上浮到一个水层中时，总体积保持不变，浮力不变，和重力平衡，而可以悬浮在这个水层中。

当鱼要下潜到某一个水层中的时候，由于水压加大，会使鱼鳔体积压缩变小，这时，鱼就要从小鳔室中往大鳔室中排入气体，以增

加大鳔室的气体量，而平衡被压缩部分气体的体积，使鱼总体积不变，浮力和重力平衡，而可以悬浮在这个下潜的水层中。通过以上的过程可以看出，鱼要悬浮在一个水层中，上浮时是把大鳔室的气体往小鳔室排除而减少一些，下潜的过程是把小鳔室的气体往大鳔室注入增加一些而完成的。这两个过程都是利用大鳔室和小鳔室的气体互换来保证的。

而这种悬浮的过程，鱼也可以在运动的过程中自动完成，我们可以看到，当鱼移动下沉到某个水层的时候，水压会随着下潜的深度而加大，这时，水压就会压迫鱼软腹部位的大气鳔，使大鳔室的气体被压迫流动到鱼尾部位细长鳔室中，这就减少了鱼体的排水体积，减小了浮力，使鱼持续下沉，这时候，如果锁闭鱼鳔两气室气路通道，保持住两气室的气体不再流动，由于这时鱼体的排水密度和这个水层水密度相同。鱼便可以在这个水层呈静止悬浮状态。而当鱼运动上升到某个水层的时候，水压会随着上升的高度而减少，这时，水压减弱，鱼软腹部位的大气鳔开始膨胀，大鳔室气压下将，通过神经自动打开两气室的气路通道，鱼尾部细长气室中的高压气体，就会回流到鱼软腹部位的大气鳔中，这样就加大了鱼的排水体积，鱼体浮力加大。这时候，如果再次锁闭鱼鳔两气室通道，使鱼体的排水密度和这个水层水密度相同。鱼又可以在这个上水层中呈静止悬浮状态。通过以上的分析和模拟实验我们可以看出，鱼既可以自行性的通过压迫和舒张鱼腹而造成大气室和小气室气体交流，来完成鱼体的沉浮和悬浮，也可以因为鱼的游动，而自行性的通过两漂室的气体压差性流动来完成鱼

在合适水层中的静止悬浮状态。这两种功效，都是由于鱼的两个显效和不显效鱼漂决定完成的。这实际是一种鱼类可以随着鱼体的游动而随时改变鱼体密度的过程。非常简单，而又非常适用，巧妙。大自然的进化总能让生命们找到适应自然界的最可行有效办法。

那么，鱼为什么一个气鳔就不可以完成以上所有动作呢？我们还是用气球来看，当我们把一个气球不装入瓶子，而只是鼓起浸入到水中的时候，空气压缩就不会产生显效和不显效的情况，而是都要同时显效，就是说，我们用手把气球按到某个水层中，手的压力会在水中完全的转换为气球的气体压缩膨胀力，和水整体对气球的均匀压强力，这使我们手做的功，全部的转换为，对气体的压缩势能，和周围全部水体的反作用力，当我们把手的力撤掉的时候，这种全部的气体压缩势能膨胀力，就又会全部的很迅速的转换为膨胀效应，而使气球膨胀到压缩前的体积状态而快速重新回到水面，就不会停留在某一个水层。但为什么，把气球的一部分装入到玻璃瓶中，再用手压到水底层，其就可以悬浮呢？（或者上浮速度非常缓慢呢）这是因为，当我们用手压迫部分性装入玻璃瓶中的气球的时候，气球暴露在水中的部分，就会被压缩，而流向玻璃瓶的位置中。但因为玻璃瓶是刚体的，所以被压缩到玻璃瓶中的气体是不会通过玻璃瓶的外围空间而对水体产生弹性膨胀势能的，这就使我们用手对玻璃瓶气球所做的功，很大一部分都被转换到一个不会对水体产生膨胀功的空间中去了，这在我们撤去手压力的时候，水体就不会对等性的产生反作用力浮力。这时，即便外部塑料袋部分气体可以膨胀，但由于其只是小部分的气体

膨胀做功，而无法(或者无法很快)拖动玻璃瓶部分整体上浮，也就无法整体上浮移动了。这个过程也可以说，是我们做了功，但这个功并不能被完全换原回来，是我们做了一个大数量的功，但只可以产生一个小数量的反作用力，是一种作用力和反作用力不平衡的结果。并且，由于鱼的两个气鳔之间的连接非常细，可以起到一个气桥的结果，使鱼一方面可以通过气桥的肌肉自动封闭或者打开气路，而完全控制悬浮，另一方面，由于气桥管路很细的缘故，所以可以有效的缓冲两个气室之间气体的流动速度，从而起到协助鱼体游动而缓解水体作用力，以达到时差性浮力的目地。这个过程，就解释了显效和不显效两个连通性的鱼鳔的特别性，和特殊作用性。也说明，鱼如果只有一个鳔室，是无法轻松完成随意下潜上浮，和无法完成任何水层悬浮停留状态的。

鱼的这种两鳔室结构，也能解释鱼的一些其他现象，比如，鱼死后为什么多数肚子朝上呢？这是因为鱼死后，鱼肚子的肌肉失去肌力，无法将大鳔室的气体压缩注入到小鳔室中去，而使大鳔室水压减少性一直膨胀，浮力不停的加大，而最终使鱼浮到水面上。同时鱼软肚中大气室膨胀，放大了鱼肚部分体积，使鱼体软肚部分密度最大化减少，而鱼背部分密度相对性增大，这样，鱼肚部分上浮，鱼背部分下沉，形成了鱼死肚上反的现象。这也可以说明，鱼在生命的过程中，是一直保持两个漂室气压一定程度的高于大气压状态的，这可以使鱼仅仅依靠肚腹部的肌肉变化，或者自动水压变化就可以完成两气室的气体交流，而形成上浮和下潜，而尾部的肌肉可以无需对小气室进行

压缩和放松，这也符合鱼的肌肉结构。鱼肚存在竖状约束肌，而尾部为条状肌肉。

被爆炸而死的鱼，为什么会两沉两落呢？因为在水底被爆炸死的鱼多是气室被炸裂，气体进入腹腔而升上水面，或者是被爆炸受惊，大气室周围肌肉失去约束而上浮水面。但随着死鱼腹内气体的排出，鱼又会落入水低。重新落入水低的死鱼在微生物分解下，会在鱼体内重新产生气体，而重新浮上水面。成为长时间浮在水面的鱼体。