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冰封世界的奥秘 鲨鱼能在极冻中来去自如?

2020-06-19 点赞:962 浏览量:424
冰封世界的奥秘 鲨鱼能在极冻中来去自如?

虽然纽西兰、美洲和欧洲部份地区都有冰河,但全世界几近90% 的冰都位在南极洲,而格陵兰冰层(Greenlandice sheet)的地位更是举足轻重。冰冠是由层层落雪累积了数千年而成,最后硬化成如今的巨大块状冰结构。

儘管格陵兰冰层最厚可达4.3公里,但其平均厚度却为1.5公里;南极冰层的平均深度为2.16公里,其位于法属阿黛利地(Terre Adélie)的最厚冰层则几近4.8公里。 

冰的庞大重量会挤压所在地下方的土地,格陵兰和南极大陆冰层下方的土地几乎都被压成碗状,有些地区甚至已低于海平面。虽然地球极区内罕有人居,以阿黛利地为例,其夏季人口数只有78人,但冰仍持续影响着我们所知的世界。

冰究竟是什幺?

冰影响人类的生活甚鉅,但令人意外的是,我们近来才开始稍微了解它。「我们不太思考日常生活里的常见事物,」着有《冰的缓移与破裂》(Creepand Fracture of Ice)一书,同时也是达特茅斯学院(Dartmouth College)冰研究实验室主任的厄尔兰.舒尔森(Erland Schulson)说。

他在遭受漫长寒流侵袭的新罕布夏州接受了本杂誌的採访:「但冰是种非常特殊的物质。」水的化学式写成H2O,是由两个氢分子与一个氧分子结合而成。

「从分子的层次看来,水属于非晶质物质,氢分子和氧分子随机排列,」舒尔森解释,「但在摄氏0度的情况下,水会结冰,而水分子则自行排列成晶状,形成类晶格结构。」

水在结冰时体积会变大,是少数具有这种特性的物质之一,因为相较于液态水中分布鬆散的水分子,晶格里排列整齐的水分子平均间距较宽;冰的密度也比较小,只有液态水的92%,这也是冰块和冰山会浮在水面的原因。

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一名摄影师在格陵兰苏维峡谷(SurveyCanyon)

「最神奇的是,无论是雪花或海冰,或木星的欧罗巴卫星(Europa)上的冰,都会形成我们在雪花中看到的六角形结构,」

舒尔森表示,实验显示,在不属于地球的温度和压力状态下,冰可以被迫形成12 种其他结构,「我们透过实验,在极端温度和压力下改变了氢键的形成方式,因此发现了这些结构,」舒尔森解释。

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雪花的显微镜照片

氢键让水拥有可挠性,其弱连结使冰能在正常大气压下于0度融化。任何形式的加压都会降低融点,只要站在冰地上看着脚下的冰融化,就能察觉到这个现象。

「例如,在一公里厚的冰层底部,其庞大压力会将融点降低近一度,也就是说,大型冰河底部的冰会在零下一度融化,而表面的冰则在零度时融化,」舒尔森说。冰融化后,压力或其他大气状态的细微变化都可能让融冰重新结冻,使冰内部产生奇怪的结构。

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面向罗斯海(RossSea)的南极海岸上一条后退中的冰河

格陵兰冰层下就形成了大小有如摩天大楼般的块状构造,这些冰雕佔了北格陵兰的十分之一面积,是千百年来冰层底部融冰融解又重新结冻造成的结果。

另一方面,融解又重新结冻的冰也可能在结冻的湖泊和池塘中心绽放出如花朵般的迷人结构,称为廷得耳结构(Tyndall structures)。这是由于太阳光线穿透冰层,融解局部的小块冰,融冰后来又结冻,形成与周遭结构不同的冰。

极冻求生术

少有生物能在身体结冻后存活下来。大部分动植物一旦处在冰冻的温度中,细胞和血管里就会形成冰块,变大的冰块会撑大这些组织,最终让细胞和血管失去功能。

冻疮是另一个杀手。当生物暴露在极低温下,身体会试着将血液导离手指、脚趾、耳朵和鼻子等末梢组织,以避免损耗热能。

若延长暴露时间,在极端气候下只要五分钟,皮肤内外就会开始形成冰块,冰晶会抑制血流,让组织无法得到氧气和养分,组织结冻的时间越长,伤害就越大。儘管如此,有些动物仍能在结冰温度下成长茁壮。

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南极东边的帝王企鹅

栖息于北极冰冠下的睡鲨(Greenland shark)可以长到七公尺以上,牠们可以忍受并存活于摄氏零下2度的低温,因为牠们的细胞会製造一种防冻的低温保护剂,那是一种类似氨的化合物,因此牠们的肉除非经过实验室处理,否则对人和其他哺乳动物来说都具有毒性。

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悠游冰下的睡鲨。此处为靠近加拿大巴芬岛(BaffinIsland)奴纳武特(Nunavut)北部的兰卡斯特海峡(Lancaster Sound)

另一种动物是住在南极州附近陆棚水域里的银鱼,牠们体内也有类似的防冻蛋白质。南极章鱼也有自己的防寒策略,这些蓝血的极地章鱼(Pareledone charcoti) 利用一种以铜为基底,称为「血青素」(haemocyanin)的血液色素,在体内传送氧气和养分。

目前已知只有北极地松鼠这种哺乳动物的血管可以在介于冬眠和冷冻的生理状态下忍受冰晶。然而,让科学家十分惊奇的是,Rana sylvatica 这种外表不起眼的木蛙却能忍受完全的冷冻状态,然后在某天退冰后又活蹦乱跳。

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北极灯蛾毛虫(Arctic Woolly Bear)是种可见于格陵兰和加拿大靠近北极圈的毒蛾

迈阿密大学动物系的强.卡斯坦佐(Jon Costanzo)在2013年发现,在体内三分之二的水分都完全结冻的情况下,两栖类动物仍旧可存活好几週,而且栖居地越冷,可以存活的时间就越长。 

在冷冻状态下,这些动物的代谢活动乃至废物製造会几乎完全暂停,牠们的呼吸会停止,心跳不再跳动,时间长达数天至数週。

避免冻死或冻伤的方法是从体内废物中製造并储备大量的血糖和尿素,并分解肌肉蛋白,这些步骤不仅降低动物组织的结冰温度,也让细胞膜更为稳定。

极地阿拉斯加木蛙在摄氏零下16度仍能存活。「牠们可以在摄氏零下四度的环境中冷冻两个月,而且只需两天就能完全复原,看来生气勃勃。」卡斯坦佐认为这个发现最后也许能带来医学上的突破。

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