你盘子里的，是曾影响二战的深海灭霸
2022/10/11 7:00:00 科学大院
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二战期间，为了源源不断地向欧洲战区输送物资和人员，盟军在大西洋上开辟了多条商船航线。这些海上通道的畅通与否，很大程度上影响着战争的走向。于是围绕着大西洋上的海上交通线，盟军护卫舰队与德国U型潜艇展开了一场惊心动魄的“猫鼠游戏”。
在追踪德国潜艇的过程中，盟军舰船的水下侦听设备总是能听到一阵阵奇怪的爆裂声，“噼噼啪啪”就像是木柴在燃烧，此起彼落，很是恼人。类似这样：
音频来源：Del Bohnenstiehl, NC State University
可海里怎么会传出类似木柴燃烧的声音呢？这个问题困扰了盟军很久，直到海洋生物学家们在附近海域里发现了大量成群的鼓虾。
鼔虾俗称枪虾、手枪虾，这并不是一个单独的物种，而是一个科(Alpheidae)的虾的统称，隶属于节肢动物门软甲纲十足目。鼔虾科是一个极为庞大的家族，目前世界范围内已知的就有40余属1000余种。它们广泛分布于温带和热带海域，全面覆盖了二战的主要海洋战场。
有着赛博朋克配色的脆甲鼓虾(Alpheus chiragricus)
图片来源：参考文献1
这种体长只有3～5厘米的小虾长着一对令人过目难忘的奇特虾螯——一大一小两只螯极不成比例，其中那只大螯有时能长到2.8cm，达到身长的一半以上。并且与大多数虾螯不同，鼔虾的大螯与其说是钳子，不如说更像是一把“手枪”，盟军舰船听到的爆裂声的秘密就藏在这把“手枪”里。
脆甲鼓虾(Alpheus chiragricus)大螯特写
图片来源：参考文献1
一个响指，毁天灭地
虽然科学家们成功锁定了水下噪声的制造者，但受二战时期的条件所限，噪声的发声原理并没有得到正确的解答。1946年，加州大学战争研究部海军电子实验室出具了一份研究报告，在这份“上古时期”的报告当中，科学家们只是将巨大的噪声归咎于大螯快速闭合时的碰撞。
76年前的科学家们手绘了鼓虾大螯的9倍放大图
并认为噪声是大螯闭合时猛烈撞击造成的
图片来源：参考文献2
顺带一提，除了列举详实的照片和数据，这份研究报告的作者还别出心裁地绘制了好几幅漫画，生动形象地描绘了鼓虾们肆意制造海底噪声时的场景，如此可爱的报告笔者还是头一回见，有兴趣的读者可以自行下载观赏。
报告中的鼓虾漫画
图片来源：参考文献2
仅靠大螯的物理碰撞，显然不足以产生能够影响水下侦听设备的巨大噪声，要想解释清楚这个问题，我们首先得了解一下空化效应。
空化与液体沸腾类似，也是由液态到气态的相变现象。当液体局部压力快速降低到饱和蒸气压以下后，液体中的小气核体积会不断膨胀，形成肉眼可见的空泡。而后在外部高压作用下，气泡会产生强烈的坍缩溃灭。
2000年，荷兰特温特大学团队利用高速成像技术和水下听声器，记录下了鼓虾大螯快速闭合的整个运动过程，成功揭示鼓虾发出巨大噪声的原理。
大螯闭合过程不到1毫秒
图片来源：参考文献3
正所谓天下武功，无坚不摧，唯快不破。鼓虾首先会以高达108km/h的速度迅速闭合大螯，喷射出一道速度为32m/s的高速水流。
在中学的物理课上，我们学过流速越高则压力越小，压力变小则液体沸点降低，鼓虾射出的高速水流足以引起大量空化气泡。这些空化气泡紧接着会在压强差的作用下迅速溃灭，发出声响。
相关研究显示，这股声音最高能达到218分贝，比真实的枪声(平均150分贝)还要响，与体型大鼓虾数百倍的抹香鲸(有记录为230分贝)不相上下!成群的鼓虾产生的噪声不仅会干扰舰船的声呐系统，给航行带来重大影响，严重时甚至会导致舰船在海上迷失方向。
鼓虾闭合大螯喷射高速水流
图片来源：youku.com
这还不是鼓虾最牛的地方!2001年，依旧是来自荷兰特温特大学的研究团队，他们证实了一种更为奇特的现象——“虾光现象”(Shrimpoluminescence)。
鼓虾大螯产生的空化气泡在坍缩溃灭时，整个空泡的势能会集中于一个非常小的点上，能量密度极高。据估算，坍缩到最小体积的瞬间，温度能达到5000开尔文(即4700摄氏温度左右)，甚至产生光，这也就是声致发光现象(sonoluminesence)。
由于虾光现象中产生的光的强度要低于普通声致发光产生的光，并且持续时间极短，以纳秒(1纳秒=1/1000000毫秒)计，所以必须借助特殊设备在极度黑暗的环境中才可以捕捉到。
德克萨斯农工大学的研究团队利用仿生鼓虾装置重现了虾光
红色方片符号是多次实验捕捉到的虾光位置
图片来源：参考文献5
打好响指，是个技术活
鼓虾平时的捕猎过程是这样的：大螯快速闭合，高速射流和冲击波会震晕甚至震死周围的小鱼小虾，之后鼓虾就可以大摇大摆地将仍处于昏迷状态的猎物拖回洞穴中进食。一个“响指”就能打出如此巨额的伤害，不得不赞叹鼓虾的技术一点儿也不输灭霸啊!
而要想打好响指，没有点金刚钻还真不行。
首先鼓虾的大螯经过漫长岁月的进化，已经成了件极为精致复杂的机械装置。鼓虾的大螯长得并不像钳子，可以活动的螯锤上有着一个特殊的结构螯塞(即下图中的P)，不可活动的螯节上同样有着一个特殊的结构螯槽(即下图中的C)。
枪虾打响指时，会先张开大螯，紧接着通过肌肉控制螯锤快速闭合，螯塞恰好可以嵌入到充满海水的螯槽中，将海水挤出形成高速水流，这个过程就像是挤压注射器，只不过我们可达不到那么快的速度。并且鼓虾是以海水为弹药，它的枪不光威力大，还无限子弹，就问你bug不？
图片来源：维基百科
如果发生意外导致大螯脱落也不用慌，原先的那只小螯会慢慢长成大螯，这种逆转螯不对称性的神奇能力在自然界也是极为罕见的～
其次打造鼓虾大螯的材料有着卓越的性能。爱丁堡大学的研究人员对大螯中最主要的活动部分——螯塞进行了研究，发现螯塞呈现出三明治结构，最外层和最内层由质地坚硬的矿物质组成，包括文石和镁方解石，中间则是层状多孔的几丁质。
这样的结构让螯塞既能够承受住高速闭合带来的高温高压，也能有效隔热和吸收机械能，保护大螯内部的软组织。
鼓虾螯塞的电子显微照片，a为螯塞的横截面；b为螯塞三层结构；c和d为螯塞中间层的高倍率照片。可以清晰地看到层状多孔结构
图片来源：参考文献6
更令人赞叹的是，鼓虾本身还有着厉害的物理防护机制。空泡溃灭有着强大的破坏力，可以使小鱼小虾失去行动能力甚至死亡，但鼓虾自己却不会受此影响。南卡罗来纳大学的研究人员发现，鼓虾的头部有一个头盔状罩子，完全覆盖了眼睛和大脑，这种特殊的硬质罩子可以抵御大螯闭合所产生的冲击波，保护鼓虾免受冲击波所诱导的神经创伤。
这可是全世界第一个被证明可以抑制冲击波的生物装甲系统，能够帮助我们研发更先进的仿生装置，保护人类头部免受爆炸的影响。
图C所示即鼓虾的“头盔”
图片来源：参考文献7
吃货福利时间
聊了这么多，相信大家也饿了～鼓虾当然是可以吃的，并且我国沿海的鼓虾数量还不少!例如日本鼓虾(Alpheus japonicus)、鲜明鼓虾(Alpheus disinguendus)就是胶州湾海域虾类的优势种，在青岛随便一个海鲜市场上几乎都能找到。
鼓虾的做法很多，常见的就是锅中加水、盐、姜片、料酒等白灼，配少许葱花提味。鲜明鼓虾体形较大，肉质更为细嫩鲜美，吃起来也比较过瘾；而日本鼓虾的肉质更为筋道多汁，适合细嚼慢咽，回味咂摸。
图片来源：B站视频截图 @懒人饭饭
下次和朋友一起去吃鼓虾的时候，记得宣传一下深海灭霸的事迹哟～
参考文献：
[1] Anker, Arthur & De Grave, Sammy. (2016). An updated and annotated checklist of marine and brackish caridean shrimps of Singapore (Crustacea, Decapoda). The Raffles bulletin of zoology. Suppl 34. 343-454.
[2] D. of W. R. University of California, “Underwater noise caused by snapping shrimp” (San Diego, 1946)
[3] Versluis, Michel & Schmitz, Barbara & Heydt, Anna S. & Lohse, D.. (2000). How Snapping Shrimp Snap: Through Cavitating Bubbles. Science (New York, N.Y.). 289. 2114-7. 10.1126/science.289.5487.2114.
[4] Lohse, D., Schmitz, B. & Versluis, M. Snapping shrimp make flashing bubbles. Nature 413, 477–478 (2001). https://doi.org/10.1038/35097152
[5] Tang Xin，Staack David. Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation[J].Science advances，2019，5(3).
[6] Parvez Alam, Immanuel Sanka, Lilja Piuli Alam, Saka Wijaya, Erly Sintya, Niken Satuti Nur Handayani, Adolfo Rivero-Müller, The snapping shrimp dactyl plunger: a thermomechanical damage-tolerant sandwich composite, Zoology, Volume 126, 2018, Pages 1-10, ISSN 0944-2006, https://doi.org/10.1016/j.zool.2017.11.001.
[7] Kingston, Alexandra & Woodin, Sarah & Wethey, David & Speiser, Daniel. (2022). Snapping shrimp have helmets that protect their brains by dampening shock waves. Current biology : CB. 32. 10.1016/j.cub.2022.06.042.
[8] 王艳荣. 中国海鼓虾科(Alpheidae Rafinesque,1815)分类学研究. 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)，2017
[9] 逄志伟, 徐宾铎, 陈学刚, 任一平. 胶州湾中部海域虾类群落结构及其多样性. 中国水产科学，2013，20(2): 361-371
[10] 《看到它们，我想起了睡在上铺的兄弟》，海洋欢乐谷，2021-06-23
[11] 《这种小虾能“袭击”军舰，我们成功缴获了它的武器》，果壳，2019-09-15
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