2018年9月12日 星期三

抹香鯨如何發聲;如何浮沉? 09-12-2018


抹香鯨如何發聲;如何浮沉?




01. 四海遨遊的海中帝王─抹香鯨(Sperm Whale)

    網友們如果覺得抹香鯨有個狹窄的下頜,但卻有個超級巨大的頭部(佔了身體的三分之一),看起來相當不對稱的話!那是因為我們不了解抹香鯨頭部具有重要功能的緣故。

抹香鯨頭部扮演兩項重要的功能:

1.   在深海中發揮聲納作用,讓抹香鯨在伸手不見五指的深海遨遊時,對獵物、地形等瞭若指掌同時能發出動物界最響亮的聲音(高達200 dB),能夠與遠達60公里以外的抹香鯨進行溝通

   其實抹香鯨的祖先就和海豚一樣,本來都是陸生哺乳動物,演化的過程使他

   們進入海洋生存,慢慢演化出一套與海豚相近似的發聲構造,只是牠的發聲

   構造(phonic structure)比海豚更佳巧奪天工,網友看了以下的圖文說明可

   能也會有嘆為觀止的感慨!



2.   幫助抹香鯨快速的浮沉,浮沉,這是抹香鯨一輩子都在做的事,為的是到深海獵食大王魷魚等獵物,專家估計抹香鯨每天需進食約一公噸的食物,平常潛的深度是300600公尺,偶而可以潛到2,000多公尺深海。

  

一、抹香鯨如何發聲?



    要了解抹香鯨的發聲機制(mechanism),請大家先瞭解抹香鯨的頭部構造。    抹香鯨的發聲,是由靠近噴水孔下方,兩片稱為monkey muzzle或發聲唇瓣(phonic lips)的構造振動產生的。




02. 在噴水孔下方的發聲唇瓣(phonic lips)又名monkey muzzle or monkey lips。當頭部右邊氣管快速噴氣時,發聲唇瓣就受到振動產生振動波(=聲波),詳情請看圖09.




03. 抹香鯨(Spermaceti Whale)頭部模型的正面觀。

齒鯨的噴水孔只有一個,抹香鯨一般是靠左側。

右邊的氣管將肺部的空氣用力呼出時,經過一個稱為Monkey muzzle(or發聲唇瓣 Phonic lips)的構造─類似人類咽喉的聲帶,但是比人類的聲帶粗壯結實巨大許多。

發聲唇瓣(Phonic lips)快速的開啟、閉合,於是產生振動波(=聲波)→振動波再經由後方的鯨蠟器官(Spermaceti organ)放大增強→再經過鯨蠟器官下方一個稱為Junk的構造(=頭部腔窩器官(Melon)),選擇性的增強(focus)特殊頻率的聲波→最後由Junk的正前方發出聲波。

左邊的氣管負責由噴水孔吸入新鮮空氣;右邊的氣管將肺部的氣體用力呼出,發聲唇瓣被推開,迅速的回覆原來的形狀,產生點擊般的聲音(clicks)

(Clicks are generated from the “monkey’s muzzle”, a pair of hard, well matched tightly compressed lips inside the skull behind the distal air sac. Lips part and abruptly snap back to create clicks.)



抹香鯨的聲納系統(Off The Fence)
(生物學家模擬抹香鯨潛水發出的滴答聲   影片英文發音中譯 )






04. 抹香鯨頭部模型的左側面觀。顯示重達34噸的鯨蠟器官(spermaceti organ)司聲音的共振以及浮沉功能。



   02.〜圖04.截圖自2011年英國Channel 4星期日播出的《Inside Natures GiantsSperm Whale》,1個半小時的節目。特此向英國Channel 4電視台致謝。

Sound is focused by oil filled spermaceti organ(鯨蠟器官) inside the forehead. This organ occupies 40 % of the whales length and 20 % of its weight.





05. 最右邊為抹香鯨頭部頂端,遠方氣囊(distal air sac)的位置

中間較大的部份,是發射聲波的Junk器官(=頭部腔窩器官(Melon))的位置

遠方氣囊和Junk器官之間,從外觀上隱約可見分隔的凹痕。

最左邊是下顎具有2026對錐形齒,每個牙齒的重量達1公斤。





06. 抹香鯨頭部的左側面觀,虛線表示聲波的進行方向。

縮寫英文字的說明:B(Brain)Bl噴水孔(Blow hole)

Di遠方氣囊(Distal air sac)   Fr 近端氣囊(Frontal air sac)

JuJunk                     Ln左通氣管(left naris)

Ma下顎(mandible)           Mo發聲唇瓣(monkey lips)

MT肌肉肌腱層(muscle/tendon layer)

Ro尾端(rostrum)             Rn右通氣管(right naris)

So鯨蠟器官( spermaceti organ)




07. 抹香鯨頭部的右側面觀。橘色以及黃色交互排列部分,為能篩選特殊頻率聲波發射(focus)的脂肪組織─junk,即鯨豚動物頭部都具有之腔窩器官(melon)

上方黃色部分為鯨蠟器官(spermaceti organ)






08. 圖示抹香鯨如何產生以及接收聲波。

(1.)   聲波的產生

左邊的氣管負責由噴水孔吸入新鮮空氣;右邊的氣管將肺部的氣體用力呼出。

同時呼出的氣體,經過一個稱為發聲唇瓣(Monkey lips=phonic lips,圖左)的構造─類似人類咽喉處的聲帶,發聲唇瓣快速的開啟、閉合→震動產生聲波→聲波再經由發聲唇瓣後方的鯨蠟器官(Spermaceti organ)放大增強→再經過鯨蠟器官下方一個稱為Junk(=頭部腔窩器官(Melon))的構造,選擇性的增強特殊頻率的聲波→最後由Junk的正前方發出。

(2.)   聲波的接收─由中空而富含脂肪的下顎骨接收,再傳至靈敏的中耳以及內耳。

圖片來源:






09. 抹香鯨在噴水孔下方的發聲唇瓣(phonic lips),又名monkey muzzle or monkey lips的照片。由右下方圖可看出,成人須兩雙手才可將它搬開,可見它巨大厚實的程度。

當頭部右邊氣管快速噴氣時,發聲唇瓣就受到振動產生振動波(=聲波)

此圖與圖02.相似。

圖片來源:




    有文獻報導:潛水伕與抹香鯨進距離相遇,一時好奇用手觸摸抹香鯨發聲的頭部,結果整隻手被發聲巨大的振動,振的麻痺了四個小時才恢復正常!
   由此可見抹香鯨發聲時,產生的力量多麼巨大。



二、 抹香鯨如何浮沉?



抹香鯨一般潛至數百公尺深度,捕食大王魷魚等獵物,偶爾能潛到2,000多公尺的深海。

20058卡崔娜颶風Hurricane Katrina)摧毀了地中海的海底電纜,事後深海潛艇前往修復時,剛好拍攝到潛至一千多公尺深海,好奇抹香鯨的巨大身影。





Rare Sperm Whale Encounter with ROV | Nautilus Live
(難得的巧遇 抹香鯨與遙控潛水器的相遇|Nautilus Live)
在墨西哥灣海水下598公尺,遙控潛水器的攝影機拍攝到好奇的抹香鯨。






10. 抹香鯨(Sperm Whale)潛水前,會翹起巨大,形狀優美的尾鰭(fluke),以每分鐘約300公尺的速度,快速下潛至深海,那是牠的獵食場,也是一個人類比外太空知之更少的神秘地方。




抹香鯨能潛至2,000多公尺深海的原因:

1.   血量(Blood Volume)較高:

人的血量佔體重7%;抹香鯨血量佔體重20%。血量高,血液的紅血球較多,紅血球中血紅素(Hemoglobin)含量也較高,另外肌肉中肌紅素(Myoglobin)也較多→因此能攜帶大量的氧氣下潛。

2.   鯨蠟器官(Spermaceti organ)鯨蠟器官中富含脂肪,當抹香鯨   

往下潛時,因溫度低的海水流入,而且流經鯨蠟器官的血液減少,鯨蠟(spermaceti)變成固體狀,固體狀的鯨蠟比重大於海水,因此增加了頭部的重量,使抹香鯨能以每分鐘約300公尺的速度下潛,捕食生存於深海的大王魷魚(giant squid)

抹香鯨在深海捕食一段時間後,因運動身體代謝增加,體溫昇高,流經鯨蠟器官(Spermaceti organ)的溫暖血液(38℃的血液),快速的使鯨蠟變成液體狀,液體狀的鯨蠟比重小於海水,因而大幅增加了頭部的浮力,使抹香鯨能快速上升。



綠白兩色交互排列部分是頭部的腔窩器官(Junk=Melon)





11. 許多鯨豚類的頭部,多具有腔窩器官(Melon),功能與回音定位(Echolocation)有關;

而抹香鯨,頭部除了腔窩器官(Junk又名Melon)以外,還有一個龐大的鯨蠟器官(spermaceti organ,深灰色),功能除了回音定位以外,也與抹香鯨的快速浮沉有關。


3.   產生潛水反射(diving reflex)

潛水動物潛水時,都能產生潛水反射(diving reflex),反射的結果:心跳率明顯下降(在虎鯨、灰鯨,太平洋瓶鼻海豚,實驗數據報導心跳率於潛水時,由90次每分鐘(beat per minute, bpm)降至12次每分鐘,抹香鯨則可降至12次每分鐘。)

      (抹香鯨潛水時,心跳下降至12下每分鐘,是根據英國Channel 4 2011 

      年《Inside Natures GiantsSperm Whale》節目的數據。)

      明顯的心跳率下降的目地為何?

      必須請網友們大家複習一下心血管生理學的基本觀念。

      動物心臟一分鐘打出的血量稱為心輸出量(Cardiac Output簡稱C.O.)

      C.O.是兩個相關因子的乘積:

      心輸出量(Cardiac Output)=心博量(Stroke Volume簡稱S.V.) × 心跳 

      (Heart Rate簡稱H.R.)



心輸出量(Cardiac Output)=心搏量(Stroke Volume) ×心跳率 (Heart Rate)





12. 心輸出量(Cardiac Output)=心跳率 (Heart Rate簡稱H.R.) ×

心博量(Stroke Volume簡稱S.V.)


      心博量(Stroke Volume)是心臟每跳動一次打出之血量,在成年人休息狀

      態約7075 ml;而成年人休息狀態時心跳率約70次→心博量與心跳率

      兩者相乘→成人休息時的心輸出量大約五公升。

      成人的心臟約350公克;抹香鯨的心臟大小約130公斤,可想而知心輸

      出量比成人大得多了!可是心血管生理學的基本觀念是一樣的

      C.O.S.V.× H.R.

      所以當潛水時抹香鯨等潛水動物心跳率(Heart Rate)明顯下降;而心博量

      (Stroke Volume)既使不變→則心輸出量(Cardiac Output)也明顯下降, 

      而心輸出量是用來運送動物存活所必需的血液中的氧氣,心輸出量(C.O.)

      明顯下降,結果使每分鐘運送的血液量也下降→明顯的減少了抹香鯨等潛

      水動物每分鐘的耗氧量→於是抹香鯨能潛水至驚人的1.5小時。



潛水反射(Diving Reflex)心跳率減緩 & 血液只流向重要器官減少潛水時的耗氧量而增加潛水動物潛水的時間。





潛水動物是指:抹香鯨(Sperm Whale)、南方象鼻海豹(Southern Elephant Seal)、海獅(sea lion)、柯氏喙鯨(Cuvier’s beaked whale)等,人類並不屬於潛水動物。





13. 抹香鯨(Sperm Whale)─動物界的潛水亞軍。

動物界的潛水冠軍是柯氏喙鯨(Cuvier’s beaked whale)



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