这个问题曾经有个鲸鱼问过我，

它说它厌倦了每天半夜起夜喘气的日子，想换个鳃。

我告诉他，你得相信科学，你得学数学。

它说我有病。

我说你连鳃怎么工作都不知道，就想着换这玩意，能换明白吗？

它继续说我有病。

最后我还是给他讲了鱼鳃，打消了它的念头。

鱼鳃和肺的工作原理其实差不多。

核心都是气体跨膜交换，遵循菲克定律。

简单说就是浓度高的氧气 / 二氧化碳会优先往浓度低的自由扩散。

所以要想效率高，和水的接触面积就要大。

鱼鳃主要分三部分，

外侧鳃耙用于过滤异物，中间鳃弓用于支撑。

内侧布满线状的鳃丝，则是用来呼吸。

如果放大看鳃丝，

还可以看到鳃丝上密布着一排排暖气片似得的鳃小片，

上面充满毛细血管，可以进一步增大接触面积。

当水单向通过鳃小片时，水流方向和鳃小片内血液流动方向相反，

这样，低氧血就会一直和高氧面接触，以最大效率不断的从水里榨取氧气。

正是这套精妙的结构，使得鳃获取氧气的效率非常高，达到 80%~90%。

而安静状态的下成年人，呼吸效率仅有 25%。

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这么看来，鳃确实是一个很不错的器官，为啥没有哺乳动物再进化出来呢？

所以说，要学数学嘛。

我们可以通过缩放定律（Scaling Law）来简单估算下，

由于海洋哺乳动物比多数鱼大，

把鱼线性放大十倍，没问题吧？

鱼鳃有效的是表面积，

表面积大小与线性尺寸的平方成正比，

既鱼线性扩大十倍，鳃的表面积会扩大 10²=100 倍。

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那体积会扩大多少呢？

体积是与线性尺寸的立方成正比，

，

即扩大 10³=1000 倍。

由于细胞不会变大，体积变大就意味着细胞总量变多。

我们假设细胞的大小都一样，

也就是说，细胞总量会增加 1000 倍。

体重也会增加了 1000 倍。

体型大最大的好处是代谢会降低，

按照克莱伯定律（Kleiber's Law）总代谢率大概是体重的 0.75 次方。

个头线性扩大 10 倍，总代谢率会扩大≈1000^0.75≈178 倍。

而鳃的表面积只扩大了 100 倍。

这就意味着当鱼鳃的表面积和体重比例到达一定程度的时候，

鳃就会渐渐开始不再够用，这会限制鱼类继续长大。^[1]

肺虽然也会有这个困境，

但是肺和鳃的工作环境相差太大了。

在标准状态下（20°C，干燥海平面标准大气压）

空气中氧气质量浓度约为 276 mg/L，而海水饱和溶解氧仅为 9.1 mg/L。

大概相差 30 倍。

更悲催的是在这个环境下氧气在空气中的分子扩散系数大概是 0.00002m²/s。

而在水中只有约 0.0000000018m²/s，相差 11000 倍。

所以用肺在空气中只需要简单的呼吸，就可以快速完成氧气和二氧化碳的交换。

而鳃则需要不停的将水泵过鳃丝，才能正常工作。

更悲催的是，由于鱼类的鳃由咽囊发育而成，

在胚胎状态就已经成型，后天想再长几对压根没这条件。

至于哺乳动物的，胚胎时也有，一共五对。

第 1 对在中耳，负责听觉和平衡，动不了。

第 2 对是腭扁桃体的原基

第 3 对第 4 对在胸腺，甲状腺旁腺。

第 5 对在后鳃体。没一个适合改回去的，想长鳃还得重新找地。

那有人好奇了，

不对啊，这大型的鱼又不是没有，他们是怎么突破限制的呢？

一般是两种策略，

一个是降低能耗。

采用低功率滤食 + 特化鳃丝 + 虚胖策略，比如翻车鱼。

另一个是增加鳃的过水量，

依靠传统的口咽和鳃盖泵水肯定不够，

所以部分鱼类学会了在游动时张开嘴，

依靠自身运动的冲击力让水流被动流经鳃部完成气体交换。

被称为撞击式呼吸（Ram Ventilation）^[2]。

这个策略有点像汽车上的涡轮增压，使部分枪鱼可以长到四五米的长度，

但是吧，一时增压一时爽，一直增压一直爽，有部分鱼干脆舍弃了原来的呼吸方式，

做起了专性撞击式呼吸（Obligate Ram Ventilation），

然后发现，坏喽，一停下来就要断气了。

彻底停不下来了。

而像鲸鲨（Rhincodon typus），

则是采用了二者结合的方案，

既通过滤食降低能耗，又通过撞击式呼吸增加呼吸效率，

最大能长到 18.8 米。（2001 年 5 月 8 日印度古吉拉特邦维拉瓦尔阿拉伯海捕获）

那直接让海洋哺乳动物往变小化进化，这问题不就解决了吗？

真是个好主意，但是吧，体型小意味着在海里热量更容易散失 + 天敌更多 + 代谢更快，

生存难度更大了。

那让海洋哺乳动物到陆地上，不就不存在这个问题了吗？

鲸鱼：好主意嗷，你猜我当初为啥下海来着？