抹香鯨如何發聲；如何浮沉？12-29-2012

 

 

抹香鯨如何發聲；如何浮沉？

12-29-2012

圖0. 遨遊四海的海中帝王─抹香鯨(Sperm Whale)。

     網友們如果您覺得抹香鯨(Sperm whale)有個狹窄的下頜，但卻有個超級巨大的頭(佔了身體的三分之一)，看起來相當不對稱！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主要的功能：

1.  在深海中發揮聲納作用，讓抹香鯨遨遊深海時，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公里以外的夥伴溝通)。

2.  幫助抹香鯨快速的浮沉，這是抹香鯨一輩子都在做的事，為的是到深海獵食烏賊等獵物，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3,000公尺海深。
    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，您看了以下的圖文可能也會有嘆為觀止的感慨！

    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。凡事要先明瞭結構(structure)，才可能明白功能(functions)。

    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1. 在噴水孔下方的發聲唇瓣(phonic lips)又名monkey muzzle。當頭部右邊氣管快速噴氣時，發聲唇瓣就振動產生振動波(＝音波)，詳情請看圖2.。

圖2. 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 Phonic lips)的構造─類似人類咽喉的聲帶，但是比聲帶粗壯許多，發聲唇瓣(Phonic lips)快速的閉合，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，又經過鯨蠟器官下方一個稱為Junk的構造選擇性的增強特殊頻率的聲波，最後由頭部正前方發出。

左邊的氣管負責由噴水孔吸入新鮮空氣。

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.

圖3. 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)，司聲音的共振及浮沉。

圖2.以及圖3.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.

圖4. 最右邊為抹香鯨頭部頂端，是發射聲波及接受聲波的遠方氣囊(distal air sac)的位置。

中間較大的部份，是JUNK器官的位置。

遠方氣囊和JUNK器官之間可見分隔上下方的凹斜線，上方(頂端)是鯨蠟器官(spermaceti organ)；而下方是JUNK器官。

最左邊是下顎具有20～26對錐形齒。

圖片來源：http://ocean.si.edu/ocean-photos/sperm-whale-shows-his-teeth

圖5. 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)、B1─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6. 抹香鯨頭部的右側面觀。黃色部分為能篩選特殊頻率發射的脂肪組織─JUNK。Monkey lips此圖稱為發聲唇瓣(phonic Lips)，發聲唇瓣(phonic Lips)英文字很小，請仔細找找看在左側中間。

圖片來源：http://ahistoryofnewyork.com/2012/11/

抹香鯨如何沉浮？

圖7. 抹香鯨一般潛至數百公尺深度，捕食烏賊等獵物，偶爾能潛到3,000公尺的深度。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，剛好攝影到潛於一千多公尺深海，好奇的抹香鯨的巨大身影。

圖片來源：http://www.realmonstrosities.com/2010/12/sperm-whale.html

圖8. 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國度。

http://blogs.nicholas.duke.edu/gulfofca/rest-day-never-heard-of-such-a-thing/

抹香鯨能潛至3,000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)含量也較多，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，能以捕食生長於於深海的神秘動物─巨大烏賊(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。

圖9. 許多鯨魚頭部多有一個稱為頭部腔窩(Melon)的器官，而頭部腔窩(Melon)器官體積與鯨魚體積的相對大小，都在5％以下，認為與回音定位(Echolocation)有關；而只有抹香鯨牠的頭部腔窩器官(也就是鯨蠟器官,Spermaceti organ)與鯨魚體積的相對比例高達23％，因此認為除了回音定位也與抹香鯨的快速浮沉有關。(Diagram of the anatomy of the head of the sperm whale Physeter macrocephalus. The relative size and position of the two oil-containing compartments of the spermaceti organ, the spermaceti and junk, are shown in relation to the skull. Modified from Clarke (1979).)

圖文來源：http://jeb.biologists.org/content/205/12/1755.full.pdf+html

    　3.產生潛水反射(diving reflex)：另外潛水動物潛水時，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下每分鐘（beat per minute, bpm）降至12下每分鐘，抹香鯨則可降至1～2下每分鐘。)

    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.)

Cardiac Output＝Stroke Volume × Heart Rate

    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下→心博量與心跳率兩者相乘→成人休息時的心輸出量接近五升。

成人的心臟大約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動物心跳率(Heart Rate)明顯下降；而心博量(Stroke Volume)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，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→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。

圖10. 抹香鯨(Sperm Whale)─動物界的潛水冠軍。