靠着研究“憋气”也能发Science论文，还上了封面？

想要学会游泳，憋气是绕不过去的一个坎。2010年，湖南张家界曾举办过世界深水憋气比赛，在最无聊比赛排行榜中，绝对能排到TOP 10。而吉尼斯纪录官网显示，憋气最长时间的保持者是来自克罗地亚Budimir Šobat，2021年，他以24分37.36秒的惊人时长创造了该项记录 [1]。万万没想到，科学家也能靠着研究“憋气”在Science 杂志上发表论文，竟然还被选为封面论文。当然，他们研究的对象不是人类，而是一种名为“路氏双髻鲨”的鲨鱼。

路氏双髻鲨，及其横截面图。图片来源：Science

大多数鱼类是变温动物，体温受环境影响而变化。近日，美国夏威夷大学马诺阿分校Mark Royer课题组在Science 杂志上发表论文，发现双髻鲨（Sphyrna lewini）演化出一种独特方法，能迅速从温暖水面下潜到温度低至~5 ℃的800米深海处，以便于在寒冷的深水区捕捉猎物。每次潜水时，这种鲨鱼都会屏住呼气，也就是靠“憋气”来减缓血液在全身的流动，从而降低和海水的热交换，保持体温。

当期封面。图片来源：Science

据研究者称，从双髻鲨横截面可以明显看出，它们在形态层面和血管系统层面都缺乏适应性以主动保持体温。当它们从温水区下潜到冷水区时，肌肉组织中产生的代谢热很容易被血液带走，并迅速通过鱼鳃散失到周围环境中。因此，这种深潜是有风险的，身体温度的下降会降低它们的视力、心脏功能和肌肉力量。为了确定双髻鲨在深潜过程中的生物特征，研究者在鲨鱼身上配备了水温、体温、深度、活动情况等传感器。

双髻鲨的潜水行为和温度变化。图片来源：Science

这种鲨鱼的下潜范围为418至825米，平均最大深度为635±90米，潜水平均持续时间为56.0±22.0分钟，在深水区的平均停留时间为4.0±3.0分钟。初始阶段，鲨鱼的下潜非常缓慢，这里水温较高，平均为25.6±1.6 °C；随后，它们会突然以−70°至−80°的俯角迅速下沉，游动速度提高至少一个数量级，最快速度达到~49.0 m/s。在底部停留结束后，鲨鱼同样以70°至80°的仰角快速上浮，直到回到350至250米的深度。最后，它们会以较慢的速度上升至大约50米深，游速也大大降低。

在深度潜水的底部，环境温度为5~11 °C，平均值为6.8±1.2 °C。在双髻鲨快速下潜阶段，环境温度在5至7分钟内下降了约20 °C。然而，鲨鱼的体温并没有明显变化（温度降低小于0.1 °C），直到潜水的最后上升阶段，才开始降低，体温平均下降2.8 °C，最大的热损失发生在平均深度~290米附近，此时，鲨鱼的游泳速度也会突然下降。

双髻鲨在深潜过程中的游泳行为和体温检测。图片来源：Science

通过对体温和环境水温之间的热交换进行建模，研究者发现，在双髻鲨迅速下潜阶段，与环境之间的热交换速度明显减慢，传热系数与死亡的鲨鱼相似。这说明，它们在潜水时保持了“憋气”状态，使热量不会通过鳃的对流传热而散失，直到上浮到某一高度，“憋气”才结束。

深潜双髻鲨的体温建模。图片来源：Science

视频证据也支持了这一论点，遥控潜水器拍摄的一条成年双髻鲨在坦桑尼亚1043米深处游泳的镜头似乎关闭了鳃缝，而上浮到水面水域后，则将鳃缝打开。这是“令人震惊和完全出乎意料的惊喜”，Mark Royer说，“这种策略可以让它们在寻找食物的同时保持温暖”，“总的来说，鲨鱼每次潜水‘憋气’平均能坚持17分钟” [2]。“这将是一种以前从未被描述过的维持体温的新方法”，剑桥大学生态学家Julia Spaet评论说 [2]。

动物拥有自己神奇的技能。或许有朝一日，人类可以从它们的这些技能之中获得灵感，制造出更加神奇的机器也说不定。

论文原文：

“Breath holding” as a thermoregulation strategy in the deep-diving scalloped hammerhead sharkMark Royer, Carl Meyer, John Royer, Kelsey Maloney, Edward Cardona, Chloé Blandino, Guilherme Fernandes da Silva, Kate Whittingham, Kim N. HollandScience, 2023, 380, 651-655, DOI: 10.1126/science.add4445
参考文献：

[1] 56-year-old freediver holds breath for almost 25 minutes breaking recordhttps://www.guinnessworldrecords.com/news/2021/5/freediver-holds-breath-for-almost-25-minutes-breaking-record-660285

[2] P. Hull, These sharks hold their breath to stay warm in frigid waters. Science 2023, DOI: 10.1126/science.adi6897

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