B级片怪兽的生物学:对电影中尺度问题的探讨
文章探讨了B级怪兽电影中生物学尺度问题。作者指出,电影中对生物体大小变化的呈现往往忽视了“尺度缩放”的生物学原理。文章分析了缩小和放大生物体时,几何学和物理力学对生物体的影响,例如表面积、体积、重力、力量等。作者以《惊变28天》、《缩小人》、《金刚》等电影为例,指出电影中怪兽的生理结构和行为在现实中是不可行的,并解释了巨型章鱼因压力导致行为改变的原因。
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B级片怪兽的生物学 作者 | Michael C. LaBarbera 第一讲 : 生物学与几何学的碰撞! 尺寸一直是怪兽电影中最受欢迎的主题之一,尤其是那些来自我最喜欢的 20 世纪 50 年代的电影。其前提总是将某些东西从其通常的背景中取出——将人变小或将其他东西(大猩猩、蚱蜢、变形虫等)变大——然后玩弄其后果。然而,从生物学家的角度来看,好莱坞对这个概念的处理方式一直幼稚得无可救药。绝对尺寸不能孤立地对待;尺寸本身会影响生物体的几乎每个方面。事实上,尺寸对生物学的影响非常普遍,对这些影响的研究具有足够的生物学见解,以至于该领域赢得了自己的名称:“scaling(尺度缩放)”。 |
在左边的立方体中,长度 = 1,体积 = 1(长 x 宽 x 高)。中间的立方体,其中 L=2,体积为 8。在右边的立方体中,L=3,V=27。 scaling 关系的概念基础在于几何学。以任何物体为例——球体、立方体、类人形状。这样的物体将具有许多几何属性,其中长度、面积和体积是最直接相关的。所有面积(表面积、横截面积等)将与长度的某种度量成正比(即,长度乘以长度);体积将与长度的立方成正比(长度乘以长度乘以长度)。等效地,长度与面积的平方根或体积的立方根成正比。
在每个例子中,线性尺寸加倍,但面积增加了四倍。 如果你改变这个物体的大小,但保持其形状(即,相对线性比例)不变,就会发生一些奇怪的事情。假设你将长度增加两倍。面积与长度的平方成正比,但新长度是旧长度的两倍,因此新面积与旧长度两倍的平方成正比:即,新面积不是旧面积的两倍,而是旧面积的四倍(2L x 2L)。 类似地,体积与长度的立方成正比,因此新体积不是旧体积的两倍,而是旧体积的立方或八倍(2L x 2L x 2L)。随着“尺寸”的变化,体积的变化比面积快,面积的变化比线性尺寸快。 这些几何事实的生物学意义在于观察到生物体生物学的相关方面通常取决于不同的几何方面。以物理力为例。
- 表面张力的大小与润湿周长(一个长度)成正比;水黾需要长脚,而不是大脚,才能在池塘表面滑行。
- 粘附力与接触面积成正比;壁虎需要宽而平坦的脚,上面覆盖着数百万根微小的刚毛,才能在天花板上行走。
- 重力或惯性力与体积成正比(假设密度恒定);撞到窗户的鸟可能会折断脖子,但撞到窗户的苍蝇会毫发无损地弹开。
同样对几何形状不同方面的依赖性也适用于功能关系。肌肉可以产生的力量或骨骼的强度在每种情况下都与其横截面积成正比;动物的重量与其体积成正比。 生理关系也不例外。从空气中提取氧气的速率与肺的表面积成正比;食物被消化和吸收的速率与肠道的表面积成正比;热量散失的速率与身体的表面积成正比:但必须供应氧气或食物的速率或产生热量的速率与动物的质量(即,体积)成正比。如果动物在任何给定尺寸下表现良好,则仅尺寸变化就意味着这些相关功能必须以不同的速率变化,因为它们的基本几何基础以不同的速率变化;如果动物要在改变的尺寸下发挥作用,要么功能关系必须改变,要么形状必须改变。怪兽电影广泛地探索了这些 scaling 关系,尽管通常是不正确的;了解真实的关系通常会将整部电影置于新的视角中。 让我们从小处开始,逐步扩大。 第二讲 : 一个超出你想象的扭曲世界 |
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小人与蜘蛛的对抗是不匹配的,但有利于小人。 在 The Incredible Shrinking Man(1957 年)中,英雄暴露于放射性有毒废物中,发现自己变得越来越小。他与家人和朋友失散,同时抵御家猫,必须在一个变得异常巨大的世界中开辟自己的道路。他从面包屑中觅食,从冷凝水坑中饮水。在一个著名的场景中,他使用一根废弃的缝纫针来保护自己免受家蜘蛛的侵害,他必须努力才能举起它。 停止放映机!是时候进行一些分析了。 当 Incredible Shrinking Man 停止缩小时,他大约一英寸高,线性尺寸减少了大约 70 倍。因此,他身体的表面积(通过它散失热量)减少了 70 x 70 或大约 5,000 倍,但他身体的质量(产生热量)减少了 70 x 70 x 70 或 350,000 倍。除非他的代谢率大幅增加,否则他显然很难维持体温(即使他的衣服现在方便地与他一起缩小)(除非他的代谢率大幅增加)。 幸运的是,他的肺部面积仅减少了 5,000 倍,因此他可以获得相对较大的氧气供应,但他必须为身体提供更多的燃料;像鼩鼱一样,他可能必须每天吃掉自己的体重才能生存。他还必须放弃睡觉,每天 24 小时进食,否则就有在早上醒来之前饿死的危险(除非他能学会蜂鸟使用的降低体温的技巧)。 由于这些相对较大的表面积,他将以更大的比例失去水分,因此他也必须大量饮水。我们在电影中看到他喝过一次水——他将手伸入水坑中,然后从他捧起的手掌中啜饮。这个图像平淡无奇且自然,但不幸的是对于他的尺寸来说是错误的:在他的尺寸下,表面张力成为一种可与重力相提并论的力。更可能的是,他会将手浸入池中,然后取出一滴大小与他头部大小的水。当他将嘴唇贴近水滴时,无论他是否选择吞咽,表面张力都会迫使水滴进入他的喉咙。 至于与蜘蛛的对抗,这场战斗确实存在偏差,但并非电影希望你相信的那样。当然,蜘蛛有一套邪恶的毒牙,并且由于它将骨骼穿在外面,可以充当盔甲,因此具有一些优势。但我们的英雄,由于他增加的代谢率,将会像一只服用了安非他命的老鼠一样弹跳。他不会努力举起缝纫针——他会像使用锐利的剑一样挥舞它,因为他的相对力量增加了大约 70 倍。肌肉可以产生的力量与其横截面积(长度的平方)成正比,而体重与体积(长度的立方)成正比。动物产生力量的能力与其体重之比大约以 1/长度进行缩放;较小的动物在比例上更强壮。这个几何真相解释了为什么蚂蚁可以举起比自己体重重 50 倍的重量,而我们却很难将杂货搬上楼梯;如果我们像蚂蚁一样大,我们也可以举起比自己体重重 50 倍的重量。至于 Shrinking Man,可怜可怜这只蜘蛛吧。 微型人对抗伽利略科学! 理解尺度是解决小型世界中问题的关键。 Dr. Cyclops(1940 年)讲述了一位疯狂科学家的故事,他退到一个偏远的岛屿,以完善他的秘密机器,这台机器发出原子射线(比炸弹早五年!),缩小了路径上的任何东西。当他的孤独被闯入者打扰时(我相信他把他们误认为是拨款机构的现场检查小组),他缩小了他们;电影的其余部分讲述了巨型医生和他缩小的访客之间的战斗。
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别害怕! Dr. Cyclops 的微小受害者可以跳跃而没有受伤的风险。 电影的大部分内容都是关于利立浦特团队努力爬上家具,然后再爬下来。对于后者,他们不必花费大量时间和精力来固定用作绳索的绳子:他们可以直接跳跃。当任何物体掉落时,它会加速,直到阻力等于重力作用在其质量上的力;从那时起,速度就是恒定的。这个速度被称为“终端速度”;对于一个全尺寸的人来说,它大约是 120 英里/小时,而且确实是终端速度。然而,物体上的阻力与其横截面积成正比,而由于重力产生的力与其质量(因此,如果密度恒定,则与体积)成正比。随着物体变小,重力拉力比阻力下降得更快,因此终端速度下降。 当然,正如黑色幽默的老格言所说,伤害你的不是坠落,而是最后的突然停止。一个掉落的物体获得动能 (KE=1/2mv2)。必须耗散与速度的平方成正比的动能,才能使物体停止。这就是变小的好处。较小的物体不仅掉落得更慢,而且由于动能关系中的平方速度项,在撞击时需要耗散的能量也少得多,因此造成的伤害也更小。(那些隐约记得伽利略从比萨斜塔掉落东西的人可能会对此感到困扰。伽利略使用铁球,其阻力与重力相比微不足道,而且掉落的时间不够长,无法使球达到其终端速度的任何重要部分。) 事实上,足够小的动物在从任何高度掉落时都不会受到伤害:猴子太大了,松鼠处于边缘,但老鼠是完全安全的。 Dr. Cyclops 中老鼠大小的人本可以大喊一声“Geronimo!”从桌面上跳下来,因为他们知道自己太小而不会受到伤害。 Rachel Welch 被分子轰击!
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受到布朗运动力的影响, Fantastic Voyage 的 hemonauts 将经历一次非常颠簸的旅程。 小型类型的缩影可能是 Fantastic Voyage(1966 年)。一位对国防至关重要的著名科学家的大脑中有一个无法手术的血栓。幸运的是,一个秘密政府项目刚刚开发出一台可以缩小物体的机器。他们将一艘潜艇和五名船员缩小到微观尺寸,并将它们注射到昏迷的科学家的血液中,以寻找并摧毁血栓。由于缺少一份 Gray's Anatomy,他们遇到了比应有的更多的冒险。根据场景的不同,血泳者的尺度从病毒到细菌不等,并且出现了一系列问题。 首先,他们如何看到?船员们花时间欣赏他们在动脉高速公路上巡航时的风景,但即使在他们最大的尺寸下,他们的眼球也比可见光的波长小得多。即使是硬紫外线辐射的波长也太长而无法使用。也许他们正在使用 X 射线,但如果是这样,他们不幸的主人有比血栓更令人担忧的事情。 在另一个场景中,Raquel Welch 漂浮在毛细血管中,用绑在她腰上的面板远程控制潜艇。请记住,分子在热能的驱动下,处于恒定的、剧烈的运动中。每秒有数万亿个分子与你的皮肤碰撞;所有这些碰撞平均起来产生了我们在宏观上称之为压力的东西。随着物体变小,这种随机轰击仍然会随着时间的推移而平均化,但在任何时刻,与物体一侧碰撞的分子可能多于另一侧,从而暂时将物体推向一侧。
| 快速参考 |
| 布朗运动 微小物质颗粒悬浮在流体中时表现出的锯齿形、不规则运动。这种效应已在所有类型的胶体悬浮液中观察到——固体在液体中、液体在液体中、固体在气体中和液体在气体中。它以植物学家 Robert Brown 的名字命名,他观察到(1827 年)漂浮在水中的植物孢子的运动。经哥伦比亚电子百科全书许可转载。版权所有 © 2000 Columbia University Press。保留所有权利。|
这种现象最早由苏格兰植物学家 Robert Brown 在 1827 年描述,被称为“布朗运动”;他通过显微镜观察到的花粉粒似乎在水中随机“跳舞”。我们在 Fantastic Voyage 中的血泳者比 Brown 的花粉粒小十倍,他们将体验到同样的随机和持续的推挤,就像在轨道不良的火车上进行无休止的旅程一样。Raquel Welch 很幸运能将她的手放在控制面板附近,更不用说实际操作控件了。 分裂分子? 其他电影也玩过小人在一个否则正常的世界中的主题,包括 The Incredible Shrinking Woman(1981 年)和 Honey, I Shrunk the Kids(1989 年)。但这些电影都没有处理当物体缩小时,物体的质量会发生什么变化的问题。我可以想象有两种方法可以缩小物体。一种方法是开始移除分子,也许在每个收缩周期中将分子数量减半。但分子是整数;迟早,这种策略会导致半个分子,这是行不通的。(特别是对于生物物体。请记住,你身体中的每个细胞只有两份你的遗传信息,每份都位于你染色体中的 DNA 链中。) 另一种缩小物体的方法是减小原子核与其电子云之间的距离——毕竟,原子主要由空的空间组成。我不是一个有足够直觉的物理学家,无法理解这会对基本物理和化学产生什么影响,但这种策略的一个结果是使物体的质量保持不变。如果体积减少但质量不减少,那么密度必须增加。这些电影中的收缩受到足够的限制,以至于我们不必担心处理微型黑洞,但像 Fantastic Voyage 那样,一个细胞大小但具有潜艇质量的物体将像热刀切黄油一样穿过桌子、地板和地幔。 第三讲 : 它们越大,摔得越重 |
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King Kong (1933)
尺寸范围的另一端——司空见惯的事物变得巨大——在怪兽电影中更为常见,并且肯定是你想到该类型时首先想到的。原型当然是 King Kong。已经有很多 Kong 电影,但最好的显然是 1933 年的原版与 Fay Wray、1976 年的翻拍版与 Jeff Bridges 和 Jessica Lange,以及 1949 年的克隆版名为 Mighty Joe Young(其特效由 Ray Harryhausen 制作,令人叹为观止)。然而,所有这些都低估了大型动物的脆弱性。 正如 J.B.S. Haldane 在他的经典文章“论尺寸合适”中所说,“你可以将一只老鼠从一千码的矿井中掉下来;当它到达底部时,它会受到轻微的震动然后走开……一只老鼠会被杀死,一个人会被摔断,一匹马会溅起水花。” Haldane 非常直白。 这些事实我们的祖先都知道,他们利用了 scaling 的这个方面产生了可怕的效果——中世纪围攻期间的常见策略是取一匹马的尸体,让它在阳光下变质几天,然后用弹射器将其投过被围困城镇的墙壁。撞击时,尸体确实会溅起水花,将传染病传播到整个城市。Kobal Collection
King Kong 在这个场景中高达 22 英尺的身材使他容易受伤。 真正的大型陆地动物都已灭绝,但我们仍然有大象和犀牛可以稍微了解这个问题。想想你上次去动物园的时候。没错,大象围栏周围有一道栅栏,但稍加思考就会让你相信这道栅栏并不是为了把大象关在里面——它们要做的就是靠在栅栏上把它推倒。不,这道栅栏是为了阻止你进入。真正把大象关在里面的是它们围栏周围的干燥护城河;六英尺的坠落会摔碎大象腿上的骨头,而大象非常清楚这一点。所有 Kong 电影的主要缺陷之一是,巨猿过于活跃,跳跃和碰撞,就好像它们是猴子一样,受到其小尺寸的保护。记住大象,并以更多的怀疑态度看待这些滑稽动作。 第二个更微妙的问题贯穿了 Kong 电影。骨骼的强度大约与其横截面积成正比;这仅仅是说骨骼(或任何其他材料物体,就此而言)可以承受的最大机械应力或单位面积的力。骨骼必须承受的载荷与动物的质量成正比。在尺寸增加但形状没有变化的情况下,骨骼上的载荷将与体积增加成比例地增加(长度的立方),但骨骼的横截面积只会随着长度的平方而增加。最终,动物的骨骼会在自身重量下断裂。
伽利略勾勒出了骨骼支撑更大的动物所需的形状变化。 解决这个问题的一种方法是随着尺寸的增加而改变骨骼的形状,以便横截面积更好地跟随动物质量的增加。这是生物学中的一个普遍趋势——较大的动物的骨骼成比例地更粗壮、更厚。比较猫和狮子的骨骼,或者鹿和驼鹿的骨骼。这个观察结果并不是什么新鲜事——Galileo 在 Two New Sciences (1638) 中给出了这个趋势及其解释。 但我的同事 Andrew Biewener(以前在芝加哥大学,现在在哈佛大学的 Concord Field Station)重新审视了这个问题,得出了令人惊讶的结果。至少对于哺乳动物肢体的长骨来说,伴随尺寸进化变化的形状变化不足以补偿增加的载荷。由于所有骨骼实际上都具有相同的断裂应力,这意味着较大的动物越来越推高其自身骨骼强度的极限。然而,Biewener 对动物行走或跑步时骨骼变形的直接测量表明,安全系数(断裂应力与工作应力之比)仅在三到五之间。这是一个非常危险的设计——人类建造的大多数东西的安全系数都在十到几百之间。Biewener 研究了从花栗鼠到大象的动物,发现安全系数在这个 25,000 倍的尺寸范围内是恒定的—— scaling 已经回避了。这个结果是通过 Galileo 描述的骨骼形状变化和动物行为变化相结合来实现的,特别是调整姿势以确保骨骼必须承受的载荷沿骨骼方向引导,以最大限度地减少弯曲。
Andrew Biewener
骨骼峰值应力图 右侧的图表描述了 Biewener 的发现。水平轴是体重,从左侧的十分之一公斤(约三盎司)到右侧的 5,000 公斤(约 5 吨)。垂直刻度是应力,以单位面积的力来衡量。骨骼的强度因哺乳动物而异:对于所有哺乳动物,当它承受的应力超过约 200 兆帕斯卡 (Mpa) 时,骨骼会断裂——图中中间的阴影区域。假设你有一只花栗鼠大小的动物(体重约 0.1 公斤)。经测量,其骨骼在日常运动中承受的应力约为 50 Mpa。如果这只花栗鼠变大了,无论是通过进化还是通过食用放射性西红柿的影响,就像这些电影中的许多电影一样?如果花栗鼠的骨骼只是成比例地扩大而没有改变形状,则骨骼中的应力将遵循左侧的实线曲线,应力随着体重的立方根而增加。请注意,在约 10-20 公斤的体重(约 20-40 磅)时,该线与阴影区域相交。这意味着在这种尺寸下,我们过度肥大的啮齿动物无法移动——即使是日常运动也会产生足够高的应力来折断其骨骼。 但显然有比 10-20 公斤更大的哺乳动物——你和我,仅举两个。事实上,对骨骼中工作应力的经验测量表明了一个非常不同的故事。图表上的条形图表示从老鼠到大象的各种哺乳动物骨骼中的工作应力水平;阴影条是根据动物施加在地面上的力的测量值的间接估计值,白色条是直接连接到动物长骨的应变仪的直接测量值。显而易见的是,骨骼应力不会随着体重的立方根而增长。事实上,骨骼中的工作应力似乎与身体大小无关,对于所有哺乳动物来说,大约是断裂应力的四分之一到三分之一。从某种意义上说,我们在这里拥有的是自然界对主流骨骼的“设计原则”:所有骨骼都经过进化,安全系数为三到五。
直立姿势使动物能够支撑更大的重量。 如上所述,这是通过改变姿势来实现的。小型哺乳动物弯曲四肢奔跑;大型哺乳动物总是伸直四肢奔跑。如果你看过一匹马奔跑的慢动作电影,你可能已经注意到,当马的腿接触地面时,它是完全笔直的,并且只要它承受着马的重量,它就会保持笔直。这种行为在大象中更为明显。
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良好的姿势有其局限性。即使站直,King Kong 也无法支撑起他难以置信的体积。 回到 King Kong。根据原始电影剧照的一些测量,在电影开始时,Kong 大约 22 英尺高,但当他爬上帝国大厦时,他似乎大了 50%,大概是因为他被允许 ad libitum 吃香蕉。身高增加五倍意味着骨骼横截面积增加 25 倍,体重增加 125 倍;因此,骨骼上的应力应该比正常大猩猩的骨骼上的应力大约大五倍。但是,请记住,根据 Andy Biewener 的数据,对于哺乳动物来说,五的安全系数是极端的;Kong 过大的体型应该已经耗尽了安全系数。没错,Kong 站得比普通大猩猩直一点,因此他可能会找回一部分安全系数,但很明显,他正在突破极限。这就是为什么他脾气暴躁,总是咆哮和猛击东西的原因吗?他不仅不断面临折断腿的风险,而且毫无疑问他的脚也很痛。American Film Institute
相对苗条的 50 英尺高的女人违反了交通法规和安全系数规则。 Kong 可能正在突破他骨骼强度的极限,但其他电影显然已经越过了界限。在 The Amazing Colossal Man(1957 年)中,一个 100 英尺高(但比例正常)的男人威胁着拉斯维加斯。尽管根据他的体型,我们假设他的第一步应该是他的最后一步,但他不知何故设法从博尔德大坝上掉下来并返回拍摄续集 War of the Colossal Beast(1958 年)。 Attack of the Fifty Foot Woman(1958 年)中的主角只有 Amazing Colossal Man 的一半大小,但她也将骨骼安全系数推到了合理的限制之外。 第四讲 : 深海的恐怖 我在培训中是一名无脊椎动物学家,而且我几乎所有的研究都集中在海洋无脊椎动物的生物力学上。因此,我带着极大的喜悦注意到,好莱坞并没有忘记我们黏糊糊的亲戚。我最喜欢的特效质量是 It Came from Beneath the Sea (1955),其中一只巨大的深海章鱼在原子弹试验中因食用受污染的鱼类而具有放射性后,无法捕获其正常的猎物,入侵浅水区寻找午餐。在吃了几个货轮后,这个怪物发现了旧金山,在那里它在它的饮食中添加了一些警车、铁路货车和轮渡大厦的钟楼。最著名(也是视觉上最引人注目的)的一幕是当怪物从旧金山湾伸出来,用它的触手缠绕在金门大桥上,并将桥拉下来时。这一刻是这个生物的失败,尽管这部电影似乎没有意识到这一事实。此后,该生物变得异常被动,特别是鉴于其之前的横冲直撞。章鱼抓住了一艘攻击潜艇,但只是拿着它,没有试图压碎它或咬它。章鱼忽略了一个潜伏在其眼前的潜水员,即使该潜水员将一根矛射入其大脑(即使它确实穿透了软骨脑壳,也不会造成太大损害)。最后,怪物被炸药击毙,电影结束了。 Pulpo,有人要吗? |Kobal Collection
在电影中,巨型章鱼拉倒了金门大桥。但将其肢体伸出水面如此之远可能是该生物的失败。 那么,在金门大桥发生了什么导致该生物的行为彻底改变?我认为答案很简单。任何时候你有一个垂直延伸的水柱,在水柱底部都会产生压力;每 33 英尺的高度产生一个大气压。我们巨大的章鱼,像所有宏观动物一样,有一个贯穿其身体的循环系统——本质上是充满了水的管道(这里是粗大的管道)。如果章鱼在潜水时垂直伸出它的触手,什么也不会发生;它的触手底部的压力会增加,但该压力将与周围水中的压力完全匹配(也可以将其视为水柱)。 然而,在拉倒桥梁之前,这个怪物将其触手伸到了支撑塔大约一半的高度。支撑塔的顶部高出甲板 500 英尺,而甲板本身高出高水位线 220 英尺。每 33 英尺一个大气压,海拔 470 英尺,总压力约为 14 个大气压(每平方英寸 209 磅)。在其一生中,第一次没有周围的水体来抵消压力的增加,并且这种压力的全部负荷将作用于使其动脉膨胀。 证据清楚地表明,由于这种过大的压力,这个可怜的头足类动物在它撕毁金门大桥的同时遭受了突然而巨大的脑出血。巨型章鱼随后的被动现在完全有道理了——它的高级能力消失了,它做出的唯一反应是由于周围的反射,在受到触觉刺激后抓住潜艇,在被潜水员的矛击中时抽搐。这反而削弱了人类在电影结尾处的“英雄”行为,不是吗?
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Sauropods 能否以树梢为食?一些科学家质疑它们的心脏是否可以将血液泵到如此高的高度。 类似但不太严重的问题困扰着长颈鹿,它们腿上的皮肤必须绷紧(一种活的 Supp-hose),以最大限度地减少水肿(由于高压,液体被迫从毛细血管进入组织)。对于像 Apatasaurus 和 Brachiosaurus 这样的大型蜥脚类动物来说,情况肯定更糟。事实上,有些人认为,如果没有昏倒,它们无法笔直地抬起头;他们的心脏不太可能强大到可以将血液泵到那么高的高度。可怜的恐龙无法像章鱼在电影的大部分时间里所做的那样避免这个问题——通过保持身体浸没。一只蜥脚类动物站在水里,只有它的头伸出水面,腿部不会有水肿,头部也不会有低血压,但如果肺部低于 8-10 英尺,它就不太可能呼吸;它不太可能能够在环境压力下使肺部膨胀。Krisztian Pinter
[](https://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/<phyl