1、新聞背景
神舟十八於4.24晚九點零視窗成功發射,十七、十八兩個乘組在天宮順利會師。這次航天十八乘組需要在太空開展的任務很多,其中有一項特別的不一樣:太空養魚。
天宮會師
這是國內首次在軌水生生態研究專案 。之前,我們養過水稻,也養過蠶,這些動植物的生長環境較為簡單,有土有空氣,即可生存。魚就不一樣了, 魚的生存必須有水 。
在軌水生生態系
植物長在土裏,生長發育後紮根於土壤之中;蠶生活在桑葉上,爪子可以牢牢抓住物體。魚沒有根系,沒有手腳。平時,魚兒在水中遊來遊去, 基本上是處於「懸浮」的狀態中 。在地球上,由於地球重力的存在,魚兒的「懸浮」是可以控制的。但是,太空失重環境下,處處是懸浮,斑馬魚會不會感到不適?陌生的環境下,斑馬魚會不會也像人類一樣,出現「暈水」癥狀呢?它又如何遊上遊下呢?
太空中的斑馬魚是否會暈水
2、魚兒的浮力控制
魚兒在水裏可以自由地遊上遊下、遊左遊右,也可以自由自在地停在某一深度。當魚兒遊來遊去的時候,同學們肯定比較容易理解,透過尾巴、魚鰭的擺動、劃動, 與水產生相互作用力,從而是被水推著往前遊的 。所以,透過力的作用方向調整,就可以實作任意前後、左右、上下方向的遊動。
遊動依靠水的推力
魚兒遊累了,停下來休息,為什麽它可以停在水中的任意位置?要知道,不同的水深,受到的水壓是不一樣的。阿基米德告訴我們, 物體受到的浮力跟水的密度,物體的體積,還有重力加速度 ,即 。從這個公式中發現,對於魚兒來講,想要改變浮力,只有一種方法:改變自己的體積。
魚兒的重力和浮力
水裏的魚兒,靜止狀態下,受到地球重力(重力)和浮力的作用。通常情況下,短時間內的地球重力的變化可以忽略,也就是說重力是不變的, 只要浮力也不變,那麽魚兒就可以停止在水中的任意位置 。
實際上,魚兒的浮力是可以控制的。魚兒吃的胖一點或者瘦一點,體型不一樣,浮力就不一樣。這個 單純的體型浮力不可能剛好就跟體重一樣 ,這樣的話魚兒想要懸浮在水中就變得非常困難。不過,大自然的前進演化很神奇,魚兒可以較為輕松地控制自己的體型,而不用把自己吃胖、或者吃瘦。
魚鰾是魚沈浮的關鍵
魚兒控制自身的體型, 主要依靠魚鰾 。當魚鰾內充氣時,其體型就像氣球一樣被吹大,從而排開水的體積變多,浮力增加。換個角度理解:空氣進入魚的體內,魚整體的平均密度就變小了,魚就浮起來了。反之,當魚想下潛時,則會排出魚鰾內的空氣,降低浮力。潛水艇的沈浮正是這個原理。
潛水艇的沈浮
2、太空中的浮力
太空中是沒有浮力的,是一個失重的環境。失重環境產生的原因,在於空間站繞地球旋轉,空間站受到地球的重力與離心力形成了平衡。這種狀態下,物體不能被地球重力吸住。
重力與離心力平衡
既然物體的離心力與地球重力平衡了,那麽太空中的水也一樣。太空中的水在表面張力的作用下,會自發地變成一個水球,這個水球可以停留在空間站的任意位置,前幾年的天宮課堂,相信大家都了解過。 另外,在它的內部,水壓也消失了 。
天宮課堂裏的水球
太空中的魚兒,同樣也是離心力與地球重力平衡,重力感消失了。浮力的消失,源於重力感的消失。地球上的水由於重力,水內部互相擠壓,形成水壓。太空中的水球,沒有了重力,其內部不存在互相擠壓力,也就沒有水壓, 裏面的魚其實是感受不到水給它的壓力的 。只有它在遊動的時候,才會覺得自己還「活著」。
魚兒想在地球上一樣,控制自己的魚鰾,使之充氣或者放氣,但是魚兒卻感覺不到自己位置在上下運動。比如,這條太空中的斑馬魚,遊累了,想浮出水面。往魚鰾裏鼓氣,魚兒感覺不到水的流動,它以為氣不夠,於是使勁鼓氣,可是一點用都沒有。如果這條魚既不聰明,又很執拗,那麽甚至有可能會被自己炸死。總之, 這種脫離自己掌控的感覺,魚兒肯定不好受,可能會「暈水」。 就像航天員剛開始到達天宮,身體也會產生不適。我們人類能夠透過認知調整過來,魚兒也能嗎?
4、總結
太空養魚其實是個生態迴圈系統,它對未來改造外星球,或者太空站生態自迴圈,有著很大的意義。但是,空間站的失重環境,魚兒能否適應,目前尚不得知。斑馬魚失去了魚鰾的沈浮功能,會不會覺得自己患了「失鰾癥」?失鰾的感覺,魚兒到底需要多久才能克服呢?讓我們拭目以待。