魚類“航天員”養成記

1問題：魚能耐受超重嗎？

2問題：魚能耐受超重嗎？

?自制超重離心機

超重離心機（如圖1）是我用拉坯機改造的，我將2個50毫升離心管用納米膠帶對稱固定在拉坯機轉盤兩側，試管內裝滿等重量水，啟動拉坯機，即可通過向心加速度模擬超重環境。通過改變拉坯機轉速，來改變超重力強弱。通過公式G=1.11×10^-5×R×（rpm）²計算向心加速度，其中R是離心管運行的半徑（單位：厘米），rpm 代表轉速（每分鐘多少轉）。

?選擇實驗對象

實驗中需要觀察、記錄魚的心跳和呼吸，我嘗試了幾種周身透明的玻璃魚，比如玻璃拉拉、玻璃貓、紅肚玻璃魚，發現紅肚玻璃魚生命力比較頑強，不易死亡，且內臟清晰可見，便于觀察，所以選擇紅肚玻璃魚作為實驗對象。

?排除實驗裝置密閉的影響

考慮到超重離心機中盛放魚的離心管體積較小且為密閉空間，水中溶氧有限，為排除缺氧可能導致紅肚玻璃魚行為異常，我首先開展了一輪預實驗。

將紅肚玻璃魚逐條放在裝滿水的試管中，擰緊管蓋靜置240秒，觀察對比實驗前后紅肚玻璃魚的心跳和呼吸頻率。

觀察方法是將紅肚玻璃魚放置于白色托盤內，使其側躺，充分暴露心臟位置，用安裝有微距鏡頭的手機錄制10秒視頻，完成后迅速將其放回魚缸中，盡量減小對魚的刺激。后續通過反復觀看視頻來計數心跳及呼吸頻率并進行統計，如圖3所示。

結果說明，在長達240秒的密閉條件下，紅肚玻璃魚的心跳、呼吸、游動等所有行為均未表現出顯著差異，這說明自制的超重實驗裝置在240秒內并不會影響實驗結果。而正式實驗中，最長的超重時長僅為120秒，僅為預實驗的一半，這足以確保正式實驗的可信性。

萬事俱備，只欠東風，開始進入正式實驗。

3實驗開始

實驗共設置兩個變量。

?不同向心加速度

實驗中，我設置了1.5G、6.2G、14.0G三個級別，分別對應超重離心機的轉速為100、200、300轉/分。

?不同超重時長

超重作用時間為30秒、60秒和120秒三組。

兩個變量進行交叉，共分9組開展實驗，如表1所示。

實驗1：超重對魚心率的影響

查閱資料發現，航天員在超重訓練時心率會明顯加快，短時間內達到150次/分，我國航天員陳冬在第一次做8.0G訓練時心率甚至達到170次/ 分。從表2可以看出，紅肚玻璃魚心率在不同向心加速度和不同作用時長下有增有減，未表現出明顯的規律。這點跟人類大不相同。值得注意的是，在實驗過程中我發現，隨著超重強度和作用時間的增加，紅肚玻璃魚心臟明顯變大、顏色偏深紅色，跳動清晰有力，泵出血液也變成較粗的一股股（如圖4）。

實驗結論：超重環境的確給魚造成了負擔，也證實了紅肚玻璃魚的生理情況決定了它無法通過提高心率來對抗超重的影響，只能通過提高每次跳動的力度和血液泵出量來進行補償。

實驗2：超重對魚呼吸頻率的影響

從表3中可以看出，經過超重后，所有的紅肚玻璃魚呼吸頻率均有不同程度的減慢，60秒和120秒組差異極顯著。

如圖5所示，超重120秒組的呼吸減慢程度要高于60秒組。在30秒和60秒組中，隨著向心加速度的提高，呼吸減慢頻次并未表現出明顯變化規律。在120秒組，隨著重力加速度的提高，呼吸頻率減慢的情況逐漸加重。

如圖6所示， 在每個向心加速度下，隨著作用時間的延長，紅肚玻璃魚的呼吸減慢情況越明顯。

實驗結論：在某一向心加速度下，隨著超重時間的延長，紅肚玻璃魚的呼吸變得更慢；而在某一作用時間下，隨著向心加速度的提高，這種影響卻并沒有那么明顯。即便是在高達14.0G的超重條件下，只要作用時間足夠短，紅肚玻璃魚受到的影響依然很小。而在較長的作用時間下（120秒），哪怕是較小的向心加速度依然會產生較大的影響。這說明相對于超重的強弱，紅肚玻璃魚對超重時間的長短更為敏感，也就是比較“怕”長時間超重，而不怎么“怕”強超重。

實驗3：超重對魚行為的影響

實驗過程中，觀察記錄紅肚玻璃魚是否出現如側傾、抽動、沉底、頂缸、昏迷等行為，對其行為進行賦分。賦分規則：側傾、抽動、沉底、頂缸各記1分，昏迷記10分，該分值代表紅肚玻璃魚行為異常的程度，數值越高，行為越異常；數值為0，則行為無異常。實驗數據如表4：

如圖7 所示，隨著超重作用時間增長，紅肚玻璃魚表現出嚴重的行為異常。在120秒組中，隨著向心加速度的提高，紅肚玻璃魚的行為異常更加嚴重。但在30秒和60秒組中，隨著重力加速度的提高，紅肚玻璃魚行為卻無明顯變化規律。

如圖8所示，在每個向心加速度下，隨著作用時間的延長，紅肚玻璃魚的行為異常情況變得明顯。該趨勢與呼吸頻率的變化極為相似。

實驗結論：越高的向心加速度和越長的超重時間，會讓紅肚玻璃魚的呼吸頻率降得越低、異常行為變得越嚴重。這項實驗同樣也能看出，紅肚玻璃魚比較“怕”長時間超重，而不怎么“怕”強超重。

實驗4：超重對魚恢復時間的影響

觀察、記錄紅肚玻璃魚恢復正常狀態所需要的時間，包括從昏迷狀態恢復活動的時間、從行為異常恢復完全正常的時間，二者相加得到“恢復時間賦分值”。

從表5和圖9中可以看出，僅在最大向心加速度（14.0G）和最長作用時間（120秒）下，紅肚玻璃魚明顯耗費了更長時間才恢復正常狀態，其他組無明顯規律。

實驗結論：紅肚玻璃魚有較強的抗超重能力。我國航天員在地面訓練時會達到8.0G，這樣的高向心加速度已經接近普通人的生理極限，要想安全承受更高的超重，人類得穿戴專業的“抗荷服”。而實驗中的紅肚玻璃魚，可在無任何防護的情況下，短時間（30秒）承受高達14.0G的強超重不發生昏迷，并且作用時間不超過60秒的情況下，均可較快速地恢復正常。而這種天生的抗強超重能力，可能與其生活在水環境中密切相關。

實驗5：訓練提高魚的抗超重能力

既然紅肚玻璃魚有天生超強的抗超重能力，那有沒有可能通過人為訓練進一步提高這種能力呢？于是我給紅肚玻璃魚開展了超重訓練。

將紅肚玻璃魚置于6.2G的超重條件下120秒進行訓練，每天1次，連續10天。如圖10所示，第一天訓練結束后所有紅肚玻璃魚都進入短暫昏迷狀態，而從第二天起，該比例即大幅下降。從第五天起，超重訓練后不再有紅肚玻璃魚昏迷。

如圖11所示，與圖10的趨勢極為類似，第一天超重訓練后，紅肚玻璃魚從昏迷中蘇醒的平均時長將近3 分鐘，從第二天起大幅減少至不到30 秒，從第五天起不再出現昏迷情況。

而完全恢復正常狀態的用時，也呈現極為類似的趨勢（如圖12）。紅肚玻璃魚在超重訓練后第一天完全恢復正常用時將近6分鐘，第二天驟降至1.8分鐘，隨后數據平穩下降。從第七天起自超重環境結束就可以自如活動，沒有表現出異常狀態。

實驗結論：在每天一次的超重訓練中，紅肚玻璃魚的昏迷比例、蘇醒用時、恢復正常狀態用時、呼吸頻率的變化，都在第二天出現“跳水”式的減小；從第五天起，超重訓練后再也沒有昏迷出現，從第七天起甚至連側傾、抽動、沉底這些異常行為也都不再出現。這說明紅肚玻璃魚不僅是天生抗超重的“高手”，而且通過訓練，這種能力居然能極為迅速地提高！

4總結與展望

經過一代代人的奮斗，太空“出差”已成常態。放眼未來，我們的征途是星辰大海；著眼當下，航天的現實成果已經不斷涌現。未來一定會有更多的魚進入太空，人類可能會在太空培育新品種，可能會開展太空水產養殖，魚可能會在月球、火星基地的人工生態系統中扮演重要的角色，為航天員和未來的星際移民提供食物、寵物。

這次探索中，我發現紅肚玻璃魚天生擁有很強的抗超重的能力，但比較害怕長時間的超重；不同個體的這種能力有較大的差異，且通過人為的超重訓練，可以迅速提高紅肚玻璃魚的抗超重能力。

這就給我們一個啟發，當我們把魚送入太空時，為了盡量減少發射和降落過程中超重給魚帶來的不利影響，我們可以適當增大重力加速度來盡量縮短超重時間，在發射前先進行超重測試和篩選，淘汰掉那些抗超重能力弱的個體，并且開展至少五天的超重訓練，盡最大可能提高它們的抗超重能力。也許魚比我們想象的更加適合成為“航天員”，我們可以利用魚這種天生抗超重能力，讓它們到一些人類去不了的環境，完成人類無法完成的任務。或者模擬魚的水環境，發明供人類使用的抗超重液，讓航天員能承受更大的重力加速度，達到更快的速度，到達更遠的太空。