抹香鯨如何發聲;如何浮沉?
圖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300~600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。
圖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.。
圖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 )
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圖04. 抹香鯨頭部模型的左側面觀。顯示重達3~4噸的鯨蠟器官(spermaceti organ),司聲音的共振以及浮沉功能。
圖02.〜圖04.截圖自2011年英國Channel 4星期日播出的《Inside Natures Giants:Sperm Whale》,1個半小時的節目。特此向英國Channel 4電視台致謝。
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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.
圖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20~26對錐形齒,每個牙齒的重量達1公斤。
圖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─腦(Brain)、Bl─噴水孔(Blow hole)、
Di─遠方氣囊(Distal air sac)、 Fr─ 近端氣囊(Frontal air sac)、
Ju─Junk、 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)。
圖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)
圖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:
圖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:
https://slideplayer.com/slide/3551372/ & https://slideplayer.com/slide/3551372/12/images/17/Sperm+whale+phonic+lips.jpg
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。
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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。
2005年8月卡崔娜颶風(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。
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圖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)。
圖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1~2次每分鐘。)
(抹香鯨潛水時,心跳下降至1~2下每分鐘,是根據英國Channel
4 2011
年《Inside Natures Giants─Sperm 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
率 (Heart Rate簡稱H.R.)
心輸出量(Cardiac Output)=心搏量(Stroke Volume) ×心跳率
(Heart Rate)
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圖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70~75 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。
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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。
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圖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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