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[百家杂谈] 鱼在水里会口渴吗?

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发表于 2024-6-10 02:35 PM | 显示全部楼层 |阅读模式


鱼在水里会口渴吗?

知乎日报 知乎日报 2024-06-05 08:02 


今天为大家推荐知乎的 2 个宝藏科普回答,一起看看今天的宝藏好文吧~

鱼在水里会口渴吗?


| 答主:
艾比斯

鱼应该不会口渴,口渴的神经机制应该是脊椎动物向陆地进化过程中产生的。
口渴被定义为有意识的感觉需要喝水并出现喝水动机的现象。
当我们的身体缺水时,身体会发生很多变化,比如血量减少,导致血压变化。体内盐和其他矿物质的相对浓度会增加。在过去几十年的研究中表明,人类大脑中有一个部位负责引导口渴反应,叫做终板,终板内的脑细胞可以感知身体缺水情况并驱使动物寻找或避开水。
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终板(黄色)是一系列相互连接的大脑结构,充当控制体内液位的中枢。终板中的一些细胞与大脑中充满液体的大隔室相邻,称为脑室(蓝色)。当身体开始缺水时,身体液体的成分(包括脑室中的液体)开始发生变化。与心室相邻的终板神经元可以感知心室液体的变化,从而快速了解身体是否有足够的水分。
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这些神终板神经元接受许多关于人体水需求的信息,并发出信号诱发口渴的感觉。
在哺乳动物等陆生动物中,口渴并寻找水的意识和动机都是在下丘脑区域产生的。其他脊椎动物类群的饮水行为神经基础并未完全了解,但是包括两栖动物在内的脊椎动物都有口渴现象。
血管紧张素 II 是所有脊椎动物(包括鱼)有效的促激素,具有很强的致渴作用,在哺乳动物和鸟类中,血管紧张素II可以作用于前脑诱发口渴机制。因此使用血管紧张素II可以用于研究动物的口渴行为。
在过去的研究中发现,鱼类的前脑与诱导饮水无关,它们仅靠后脑产生的吞咽反射就能完成饮水。血管紧张素II并不能调节鱼前脑的饮水。而对于鱼来说,由于在水环境中可以不停吞咽水,因此鱼类并不需要主动去寻找水,而是需要调节体内的盐分来平衡渗透压
淡水鱼和海水鱼有两套方式调节体内的渗透压平衡。
对于淡水鱼来说,血液和组织比外部环境含盐量高得多,因此水遵循这种渗透梯度,即身体是一块咸海绵,淡水鱼的肾脏会从血液中排出大量的水,并产生非常稀的尿液。而它们的鳃则不断地利用专门的盐细胞将盐泵回体内。
另一方面,咸水或海洋物种经常通过嘴喝水以保持水分。面临的挑战是避免水分流失到含盐量更高的环境中,并防止过量的盐进入。
它们的肾脏去除盐分并保存水分,而鳃中的盐细胞将盐分泵入水中。通过这些不同的盐和水传递方向,海水鱼和淡水鱼的身体具有相同的水分和咸度。
而在脊椎动物进化过程中还有两栖类动物,它们是如何调节体内水平衡的?有研究人员对弹涂鱼进行了相关研究。
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弹涂鱼是两栖虾虎鱼,大部分时间在离水的地方进食,它们具有半陆地生活方式的生理特征,它们可以将水储存在颊腔和鳃盖腔中,当食管前括约肌放松时,颊腔和鳃盖腔的水会流入肠道。当弹涂鱼颊腔和鳃盖腔的水很少时,它们会立即迁移到水中并补充水源。
研究人员对弹涂鱼注射血管紧张素 II,发现该激素会诱导弹涂鱼吞咽更多储存在颊腔和鳃盖腔的水,从而导致弹涂鱼会在水中呆更长的时间摄入水。
水生鱼总是有水可以通过喝,它们只需要一个直接在后脑水平诱导吞咽的系统,而不是由前脑介导的口渴系统。弹涂鱼由水生射线鳍鱼进化而来,入侵陆地环境,除了 AngII 诱导的吞咽之外,可能还获得了检测口腔/鳃盖干燥(即「局部口渴)的能力。弹涂鱼在陆生动物中是独一无二的,它在陆地上的颊/鳃腔和食道前部储存水,以维持鳃作为呼吸和渗透压调节器官的功能。如果不迁移到水中,只要口腔/鳃盖有水,弹涂鱼就可以吞咽水。当颊/鳃盖中的水通过吞咽而减少时,引起再填充行为以润湿鳃和颊腔。
相比之下,具有肺呼吸功能的陆地四足动物不能物理储存可供饮用的水,必须通过 血管紧张素 II 基于前脑的动机信号移动到水中。
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黑色和白色星星分别表示控制口渴和吞咽反射的大脑区域。在陆生四足动物中,全身血管紧张素 II 直接作用于前脑诱发口渴。这些信号被整合到前脑中并调节向水移动的动机。在水生和两栖射线鳍鱼中,AngII 主要主要作用于后脑(即反射中枢)以诱导口腔水的吞咽。
因此,「口渴」是陆生四足动物的一个特征,可能是它们在进化过程中失去鳃时获得的。水生鱼总是有水可以通过喝,它们只需要一个直接在后脑水平诱导吞咽的系统,而不是由前脑介导的口渴系统。

宇航员在月亮上为什么跳着走?



 | 答主:太空僧
一个重要原因:宇航服太硬。
如果仅仅是因为重力加速度为地球表面重力加速度的六分之一,那么只要调整好腿部肌肉的力度,慢慢移动,并不需要像当年视频中那样一跳一跳的。
之所以要跳着走,一个很重要的原因,是舱外 EVA 宇航服下肢关节的僵硬程度。
如果你穿过铠甲,或者那种发传单的充气人偶服装,你就会体会到这一点。
隔热和防辐射层的多层材料,会让宇航服的四肢变得很硬,有点像以前冬天老人家给小娃娃扎成粽子的既视感。为了解决这一困难,会把关节处设计成像龙虾壳等可弯曲结构。但是,真空环境宇航服内外的气压差,还是会让袖管和裤管膨胀起来,并像打了气的轮胎似的硬挺,阻止弯曲。
(还记得我之前讲过的,太空行走第一人阿列克谢·列昂诺夫因航天服膨胀差点回不去舱的故事么?可以试着找一副乳胶手套,吹足气并扎起来,再尝试去弯曲手指)
如果弯曲肘部和膝关节,会不可避免地要进一步压缩宇航服内的空气,这就好比用打气筒往已经打足气的自行车轮胎中继续打气,困难可想而知。
跳着走会大幅减少膝关节弯曲,也就不用花费太多力气去压缩空气,更轻松一些。
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阿姆斯特朗备用 EVA 服的右膝
钟摆与每单位前行距离的能量消耗在生物学中,有一个和连续体力学中的「福禄数」类似的量,大致等于 v²/gl ,v 是速度,g 就不说了,l 是腿长。
当这个值大于 1 时(甚至大于 0.5),就意味着会导致双脚同时离开地面,人会切换到双脚离地的状态(比如跑步)。
通过计算可知,在地球上,当人类移动速度不超过每秒 2 米的时候,步行是首选的策略,因为这是身体重心的垂直位移最小的方式,可以最大限度地减少无谓的能量消耗。超过每秒 2 米的话,成年人类常会切换到「跑步」的姿势。
与跑步相比,同样双腿离地的兔子跳,重心抬得更高,在地心引力的作用下会消耗更多的能量(150%+),只有身体没被氧化的精力无限的小朋友才会选择。(如果你观察地仔细,你可以从是否跳着走路来分辨一条狗的年龄)
具体地说,当我们平时在走路的时候,不会刻意地去想怎么把后面的腿收回、再像钟摆一样「甩」到前方去,这一切都依靠重力和肌肉记忆完成了。但在低重力的月表,你会发现这种「钟摆」变慢了。
还记得单摆在小角度摆动时,周期公式么?对,周期的平方和重力加速度成反比。没有经过适应性训练的话,你会发现你得用力才能把后腿摆得像在地球一样自然,或者就得放慢步行速度,如果忘记了,就会像学步的宝宝一样摔跤。
说到摔跤,还有一个小知识点。月壤很松。第一批登月的奥尔德林就曾反月壤形容为「非常细的石墨粉」,如果走路时不怎么抬脚,就会在靴子前面堆出「小土堆」来,给前进增加阻力,再加上月表本来就凹凸不平,所以每一步都得小心,加上月壤还比较滑(想想石墨),一不小心就会摔跤。
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我们换个角度:
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阿波罗 12 号的宇航员康拉德就表示:
月球表面就没有「行走」这回事,不仅速度慢,而且即使正常地迈步都会比慢跑要消耗更多力气。
为了更好的前进,宇航员发现跳着走的话,就会好一点(也没好太多就是了)。康拉德的同伴艾伦尝试了兔子跳,但发现很容易会跳歪。
再具体分析下去的话,可以更细致地分析在不同的步行速度和重力加速度条件下,最省力的前行姿势。这一点已经有大量的文献了,我随便举一个吧:
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在不同的步行速度和重力加速度条件下预测的步态类型,绿叉代表「跳」
从图中可以看出,更小的重力加速度意味着跳着走更省力,而最大的重力加速度意味着「行走」更省力。
当然,现在的太空服设计会显著影响上面这个步态策略的选择。
综上,跳着走是低重力下的自然步态选择,它比步行和跑步更不容易疲劳,效率也更高。

  题图来源:《海洋》

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