暂且把特德·克兰福德（Ted Cranford）为什么要对抹香鲸的头部进行CT扫描的问题放一边，而是考虑他如何才能做到这一点。首先，他当然需要一头死鲸，最好是一头年幼的鲸，它在他家附近的加利福尼亚海岸搁浅了。然后他需要一个足够大的设备来扫描一个600磅重的头部。而且他必须想办法在安装扫描设备之前将头部保存好。
找到一头鲸原来是比较容易的部分。一个秋日，一头刚刚死亡的幼年抹香鲸恰好出现在旧金山以南的圣格雷戈里奥海滩上。克兰福德当时正在英格兰布里斯托尔参加一个科学会议，但他有两位海洋哺乳动物兽医朋友知道他正在寻找什么。他们驾车从圣克鲁斯（Santa Cruz）沿1号公路向北行驶30英里，切开了几英尺厚的鲸脂、肌肉和骨骼，然后用从附近木材公司借来的前端装载机将头部捞起。克兰福德的朋友们将头部扔进皮卡车的后部，然后将其运到加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的朗海洋实验室（Long Marine Laboratory），在那里他们将其藏在一个步入式冷冻室中。然后他们给他发了一条紧急信息，让他回家。
当克兰福德开始寻找资金来扫描他的鲸鱼头部时，几家科学机构礼貌但坚决地拒绝了他。他们说，这些数据无疑会引起兴趣，但抹香鲸的头部——即使是幼年抹香鲸——根本无法扫描。
图片由 B. MØhl、M. Wahlberg 和 P.T. Madsen 授权提供，《抹香鲸咔哒声的单脉冲性质》，《美国声学学会杂志》114 卷，第 2 期（2003 年）：1143-1154。经许可转载。
图片由特德·W·克兰福德提供
左上：在挪威海岸记录到的抹香鲸的咔哒声由一系列逐渐减弱的脉冲组成，总共持续10到30毫秒。右上：彩色CT扫描显示了这些咔哒声（由鲸鱼的肌肉“嘴唇”在前面蓝色区域产生）如何通过头部并被放大。巨大的鲸脑油器（在顶部黄色区域）既放大了声音又聚焦了声音，声音从头骨背面（白色区域）反弹，然后向下并从头部前方传出。在此过程中，鲸鱼的咔哒声穿过“脂肪团”（透镜状的脂肪囊，黄色条纹），将声音聚焦成一道强烈的光束。
然而，克兰福德不是一个轻易放弃自己想法的人。他还很英俊，一头蓬乱的红褐色头发和修剪整齐的灰白胡须。他有着小而整齐的牙齿，厚实的嘴唇，一只蓝色的眼睛和一只淡褐色的眼睛，并且喜欢穿运动鞋、短裤和色彩鲜艳的夏威夷衬衫，即使在科学会议上也是如此。现年47岁的他是圣地亚哥州立大学的生物学兼职教授，在圣克鲁斯读本科和研究生时，朋友和亲密伙伴都称他为“大灰熊”（Grizz），是“灰熊”（grizzly bear）的缩写。这个昵称与其说是形容他的举止，不如说是形容他魁梧的身材以及他喜欢用熊抱来问候朋友的习惯。
在研究生院期间，克兰福德首次使用高科技医学影像技术探索哺乳动物的解剖结构——当时是海豚的头部。从那时起，他便将研究带齿鲸和海豚如何发声作为自己的使命。正如科学家们喜欢说的那样，这是一个非同小可的问题，这意味着答案既重要又难以获得。带齿鲸，包括抹香鲸、虎鲸以及其他六十多种较小的鲸鱼、鼠海豚和海豚，能够在水下发出令人困惑的刺耳噪音。在船边放下水听器，根据物种的不同，你会听到从鸟鸣般的颤音到口哨声、吱吱声、呱呱声、哼哼声、噗噗声以及类似嘘声的各种声音。
克兰福德最感兴趣并花了过去二十年试图理解的声音是齿鲸用于回声定位的快速咔哒声。单个咔哒声是一种瞬时能量爆发，通常持续时间不到万分之一秒，但包含惊人范围的频率或音高，其中大部分对人类来说太高而听不见。这些强烈的声波包以集束光束的形式从动物的前额发出，就像矿工头灯发出的光一样。许多海豚和鲸鱼似乎能够通过变形额头上的脂肪团（称为“瓜部”）来随意收窄或加宽声束，就像玻璃透镜可以塑造光锥一样。这些动物能够改变单个咔哒声的响度，以便更深入地穿透它们前方的水域。有些咔哒声响到足以暂时使人耳聋。
抹香鲸发出的声音是所有动物中最响亮的。如果它的咔哒声在露天环境下听到，会比一架波音747客机起飞的声音还要响亮。“它是世界上最大、最响亮的生物声呐源，”克兰福德说。想象一下，一道持续万分之一秒的裂缝，但水听器——以及其他抹香鲸——在15英里或更远的距离都能捕捉到并听到。
一个血肉之躯的动物如何能发出如此猛烈的爆炸声，这仍然是个谜。事实上，关于抹香鲸解剖结构的几乎所有一切都是神秘的，因为绘制比解剖学家本人大得多的身体部位是困难的。一只雄性抹香鲸的头部可以长达25英尺，占动物体长的三分之一。抹香鲸头部的很大一部分被鲸脑油器占据，这是一个巨大的纤维桶，里面装着乳白色的蜡状物质，这种物质作为润滑剂和灯油非常珍贵，在南塔开特的捕鲸者看来，它只不过是数加仑的精液——因此得名。“我从来没有搞清楚他们是如何解释雌性也有鲸脑油器的，”克兰福德说。
对现代生物学家来说，像鲸脑油器这样巨大而奇特的结构，亟需一个进化的解释，海洋哺乳动物学家多年来一直在争论其功能。克兰福德赞同海洋哺乳动物学家所称的“大爆炸理论”，该理论认为，抹香鲸的头部是一个巨大的发声器。根据这种学说，鲸脑油器有助于放大和聚焦鲸鱼发出的声波，它用这些声波来击晕快速游动的鱿鱼和鱼，使其失去行动能力，从而将其吞食。“大爆炸理论”一直难以证明，因为没有人知道鲸鱼头部内部的精确构造。“当你切开动物时，你就破坏了几何形状，而正是几何形状、组织的形状以及它们的稠度决定了声束，”克兰福德说。他认为，如果能找到扫描鲸鱼头部的方法，就能确定其各部分之间的几何关系，从而揭示鲸脑油器的用途。
不过，首先，还有资金这个小问题。克兰福德在圣地亚哥州立大学的兼职教授职位是没有薪水的，除非他教学或通过大学获得资助，而且海洋哺乳动物生物学对国家科学基金会来说并不是一个重要的优先事项。有些年份，克兰福德不得不自掏腰包支付研究费用——或者更确切地说，是他妻子（她是圣地亚哥水务局的无脊椎动物动物学家）的钱。其余的时间，他几乎所有的资金都来自海军研究办公室（ONR）。
图片版权所有 © 1999 年 Ted W. Cranford，保留所有权利。
深沉男低音
抹香鲸头部的立体图像揭示了产生其震耳欲聋声音的内部构造。要看到三维图像，请将鼻子放在距离屏幕约一英尺的位置，然后慢慢交叉双眼，聚焦于中间将出现的第三个图像。前方蓝色区域是“嘴唇”。头骨周围的空气（白色和浅蓝色）像舞台后面的声学外壳一样反射并放大嘴唇的声音。
海军对海豚的声音感兴趣有非常实际的原因。一只蒙着眼睛的海豚可以从123码的距离探测到直径三英寸的物体。这大致相当于站在足球场的一端，在对面底线区发现一个橘子。更重要的是，对于海军来说，海豚在这些任务上的表现比潜艇上的声呐罩好得多。训练有素的海豚可以从几百英尺的距离几乎百分之百准确地找出水下水雷。即使是最好的潜艇声呐罩，在装满精密计算机的房间里分析返回的回声，也经常会漏掉水雷。克兰福德说，这还不够好：“只需要一个廉价的小水雷就能在一艘昂贵的大船上炸出一个洞，船上还载满了水手。”
五年前，联邦政府拨给一群工程师数百万美元，用于开发一种电子海豚——一种像鲸目动物一样具有感知能力的自动推进、探测水雷的水下无人机。这种设备可以从船上部署，即使在浅水区也能扫描水雷。如果无人机发现任何水雷，船只就可以迅速驶向更安全的水域，而不必担心回来接回无人机。“我们希望有一个盒子里的东西能做海豚能做的事情，”ONR的海洋哺乳动物科学项目经理鲍勃·吉辛纳（Bob Gisiner）告诉我，“它们能找到埋在泥里的物体。我们没有任何声呐能做到这一点，效果也远远不及。”
结果，这是一个极其困难的问题。海军的大部分精力都集中在信号处理上，或者说，探测从远处物体返回的回声并计算物体的位置和性质。“每个人都认为信号处理很性感，”吉辛纳说。相比之下，克兰福德的研究在工程师看来仅仅是一个机械问题，不值得投入大量资金。
工程师们尝试使用压电陶瓷元件，每个元件只发出单个频率或非常窄的频带。但是海豚的宽带咔哒声需要大量的元件阵列，并且原型未能产生正确长度、频率和持续时间的声音。“最终，他们无法制造出海豚的声音，”吉辛纳说。“他们就是做不到。”
即便如此，吉辛纳也不得不努力维持克兰福德的资金。“我之所以能坚持下去，唯一的原因就是我对那些发现的宝藏感到非常兴奋——发现别人从未发现过的东西的那一刻。这就像一个现代的探险家。你必须有点不正常，才能愿意做任何事情来回答一个问题。世界上只有1%的人拥有博士学位。如果你愿意致力于获得一个可以说是科学冷门领域的博士学位，那你就在钟形曲线的尾部尖端了。”克兰福德说。
克兰福德小时候并没有成为科学家的渴望。他在洛杉矶郊区长大，祖父是1919年从瑞士移民来的奶农。他戴着祖父的金戒指。克兰福德的父亲是一名电梯安装工。“他必须想办法把电梯巧妙地安装到建筑物骨架上的一个小洞里，”克兰福德说。“我一直在想，我是否从我父亲那里继承了对事物运作原理的兴趣。他是一个没有受过训练的机械工程师。”
克兰福德高中毕业后进入长滩社区学院时，家里没有人读过12年级以上。有一天，他的动物学老师让学生们提出一个研究项目。“我写下，‘我想做一个比面包盒大的项目’，”克兰福德回忆道。“我以为她会狠狠地批评我。结果她说，‘去卡布里洛博物馆。’”
特德·克兰福德（Ted Cranford）的噪音发生器原型，海军曾希望用它通过回声定位探测水雷。该设备以海豚生理学为模型，由压缩机驱动，通过手术管和弹性橡胶部件迫使空气通过。后者复制了海豚鼻腔中的两组肌肉唇。结果发出的声音？有点像布朗克斯的嘘声。
图片由鲁本·考克斯拍摄
博物馆运营着一艘观鲸船，在长滩和海峡群岛之间的水域航行，寻找从北极觅食地前往墨西哥南下加利福尼亚州产卵场的灰鲸。克兰福德着迷了。在接下来的六个冬天里，他志愿带领观鲸团，然后驾着他的大众面包车沿着海岸北上，24岁时作为大三学生进入加利福尼亚大学圣克鲁斯分校。在那里，著名的海洋哺乳动物学家肯尼斯·诺里斯（Kenneth Norris）收他为研究生。诺里斯交给克兰福德的任务是弄清楚海豚如何以及确切地在哪里发出声音。
几年前，诺里斯和另一名学生已经证明海豚是在鼻腔内发声，而不是在喉部，而许多海洋哺乳动物学家曾假设是在喉部发声。诺里斯希望克兰福德绘制海豚头部的三维地图。他为克兰福德找到了一份标本，然后让他去完成其余的工作。克兰福德决定用镶嵌钻石的钢丝锯将冷冻的头部切成薄片，在每片上绘制结构，然后使用计算机根据这些薄片构建三维图像。
“那把锯子完全失败了，”克兰福德说。他在圣地亚哥海洋世界的步入式冷冻室里穿着防风雨服待了好几天。他试图切开头颅，但鲸脂和脂肪从未完全冻结，昂贵的钢丝上的钻石也反复脱落。更让克兰福德痛苦的是，冷冻室里已经住着一只巨大的南极贼鸥，那是一种天鹅大小的鸟，最近在南极洲被捕获。海洋馆将这只贼鸥隔离起来，然后才将其引入展览中的其他动物。克兰福德与锯子搏斗时，这只鸟袭击了他并吐在他身上。
“当时一点都不好笑，”他说。但最终，锯子无关紧要。在尝试切开海豚头部之前，克兰福德说服了加州大学旧金山分校的一位放射科医生，让他用医院的CT扫描仪对头部进行扫描。“想法是，我先扫描头部，然后用切片来解释扫描结果，”他说。结果，他根本不需要切片，因为CT扫描显示了两个足球状的脂肪叶，它们被包裹在两组“嘴唇”中——位于鼻道中刚好在喷气孔下方的小结构。克兰福德找到了海豚的发声源。
十年后，当克兰福德得到一头抹香鲸的头部时，他知道扫描它需要更精密的措施。首先，他在海军位于洛杉矶东北200英里的武器测试开发站中国湖基地找到了一个足够大的CT扫描仪。“我能在那里扫描一头鲸鱼，这有点像时间旅行，”克兰福德说，“海军的海洋哺乳动物项目就是从中国湖开始的，现在40年后我画了一个完整的圈。”当时全球只有两台这种扫描仪，它被设计用来探测固体燃料火箭发动机的裂缝、孔洞和其他缺陷。
接下来，克兰福德必须找到一种方法，让这颗重达600磅的头颅在几天扫描时间内保持低温。他还必须用不会干扰X射线、足够轻便能用人力和叉车搬运，并且不会让他和妻子倾家荡产的材料，将头颅固定住。
他的解决方案是将头部支撑在一个五英尺长的硬纸筒里——那种通常用于浇筑高速公路立交桥混凝土柱的筒。克兰福德用聚氨酯泡沫填充了头部和筒之间的空间。一小时内，它硬化成一个轻质的石棺，既将头部固定到位，又起到了隔热作用。然后，克兰福德将整个装置装载到一辆租来的卡车里，连夜从圣克鲁斯开往沙漠。
在距中国湖一小时车程时，瓢泼大雨击打着克兰福德的挡风玻璃，天空被闪电劈开。“风暴击毁了控制CT扫描仪的电脑，这是七年来的第二次，”他说。克兰福德不得不暂时将头部藏在海军的冷冻室里，那里的温度低至零下70华氏度，足以冻结脂肪和鲸脂。“当我们准备好扫描时，头部已经完全冻硬了，”他说。巨大的CT扫描仪每天嗡嗡作响、咔咔作响八小时，持续四天，一片一片地构建着这头小鲸鱼头部的内部图像。当克兰福德将所有图像拼接起来时，他得到了一张动物王国中最奇特鼻子之一的三维图像。
图片由鲁本·考克斯拍摄
特德·克兰福德正在检查一头喙鲸的头骨和下颚。最近，在地震勘探和海军声呐测试之后，这种鲸鱼的成员被发现搁浅在海滩上。克兰福德正试图找出原因。
在十月的一个傍晚，克兰福德将一张光盘插入了他位于圣地亚哥郊区塞拉梅萨的三个电脑之一。屏幕上出现了一个彩色的图像，并缓慢地旋转起来。从外面看，抹香鲸的头部就像一块被滚成短粗香肠状的灰色粘土，然后沿着底部的一段被捏成一道细长的脊。动物的下颚像一个进化的后话，悬挂在脊下，甚至更窄——对于一头完全成熟的鲸鱼来说，它最宽处只有大约三英尺，上面镶嵌着四英寸长的牙齿。“肯·诺里斯（Ken Norris）过去常说，抹香鲸的头部看起来像是委员会设计的，”克兰福德说。
但真正奇怪的是头部内部。气孔位于头部前方，略偏左侧中心，连接着鲸脑油器前方的一个加宽的囊袋。从这个囊袋，左鼻道绕过鲸脑油器的左侧，直接通向肺部。右鼻道从同一个囊袋开始，穿过一对被称为“猴嘴”（museau de singe，法语）的“嘴唇”之间，向后延伸。
这些“嘴唇”如此紧密地压缩着——即使在死鲸身上也是如此——如果你把手伸进去，它们会切断你手腕的血液循环。右鼻道从“猴嘴”继续延伸，形成一层空气，这层空气延伸到鲸脑油器下方，并与一个覆盖头骨表面的囊袋连接，然后恢复其管状形状并通向肺部。在这个复杂的排列下方是透镜状的脂肪块，捕鲸者称之为“废弃物”（junk），因为它们比鲸脑油器的内容物更难取出。
“如果你仔细想想，整个结构实际上是动物鼻子的一部分，”克兰福德说。他指着鼻道中在鲸脑油器前、下、后形成囊袋的部分。“这些空气表面是完美的声镜，”克兰福德说。“肯·诺里斯和一些同事发现，抹香鲸可能是在‘museau’中发出咔哒声的。我希望它们被称为发音唇，即使这会惹恼法国人。总之，咔哒声从嘴唇向后通过鲸脑油，鲸脑油具有与水相同的声传导特性。声音从后面的气囊反弹，然后通过‘废弃物’传出。”他用食指描绘了声音从鲸脑油器后部，向下穿过脂肪块，然后从动物鼻子前部传出的路径。他说，当声音传出时，它已经被聚焦成一道强度不超过电线杆的声束。
“现在，你必须问自己，它们为什么要发出这些如此响亮、集中的声音？”克兰福德说。“尤其是制作这些声音的结构，这个鲸脑油器，里面充满了对动物有毒的蜡，必须隔离在桶里，而且体积如此之大，以至于动物很难操纵。抹香鲸的下颚很小，但它却捕食各种各样的猎物，从小如折叠刀的灯笼鱼到长如校车的巨型鱿鱼。它根本无法花力气去追逐一条条喷射推进的鱿鱼或小灯笼鱼。”
肯·诺里斯认为鲸鱼利用声音来击晕猎物，如果诺里斯的其他几个异想天开的理论没有被证明是正确的，这个想法听起来会很荒谬。诺里斯是首批证明海豚可以通过回声定位并能通过下颌听觉的科学家之一。他的“大爆炸理论”的第一个支持证据出现在1983年，当时诺里斯和丹麦研究员贝尔特尔·默尔（Bertel MØhl）通过在鱿鱼池中引爆雷管，进行了一次快速而粗略的原理演示。后来在默尔实验室进行的一项实验更接近模拟鲸鱼的咔哒声，并成功击晕了池中10%的鱼。十年后，克兰福德的CT扫描提供了更多证据。动物鼻腔内部的几何结构和各种组织的密度为产生非常响亮、集中的声音创造了一条完美的路径。
鲸之噪音
抹香鲸的咔哒声是地球上任何生物发出的最响亮的声音。如果两种声音都在露天环境中听到，鲸鱼头部复杂的放大系统产生的分贝将是鸣叫的大象的近两倍。但是水的声学特性将鲸鱼的咔哒声放大了另外60分贝——这可能足以击晕大量的鱼和鱿鱼。
克兰福德认为，进化赋予抹香鲸一个巨大的鼻子还有另一个原因：性。巨大的雄性抹香鲸可以通过它们咔哒声的声学特性向雌性——以及竞争对手——展示它们的体型。“当抹香鲸发出咔哒声时，一部分声音会从脂肪团发出，但一部分会在鲸脑油器内部来回反弹，发出‘嘣，嘣，嘣’的声音，”他说。每一次回响，一个稍弱的微型咔哒声就会通过脂肪团向外投射。这些微型咔哒声之间的时间间隔取决于鲸脑油器的长度：鲸脑油器越长，回响之间的时间间隔就越长。
“这在声学上相当于孔雀的尾巴，”克兰福德说。“长一个巨大的鲸脑油器对雄性来说代谢成本很高。要推动这个鼻子穿过水需要大量的能量。而且，小鲸鱼无法通过作弊来产生与大动物具有相同声学特性的咔哒声。”克兰福德为他的理论提供了最后一个证据：雄性鲸脑油器即使在它们成年后仍在继续生长。在雌鲸或年轻雄鲸中，鲸脑油器不到动物总长度的四分之一。在体型庞大的成年雄鲸中，它可能占据动物长度的三分之一。“谈到抹香鲸的性，克兰福德说，“体型很重要。”
三年前，海军研究办公室授予克兰福德一笔拨款，用于制造一种低科技的海豚噪音发生器。克兰福德毫不意外地认为这完全说得通。“海豚和抹香鲸用鼻腔中的组织发出这些声音，而且它们都以流线型的方式包裹着，”他说。“它们在数百万年的进化中完成了它们的研究。它们可以为我们节省大量的开发时间。”
他的团队首先创建了一个海豚发声的计算机模型。接下来，他们制造了一个实际的设备，由在室温下固化的弹性橡胶和类似安全气囊的特殊材料制成。这些橡胶部件模拟了海豚发声解剖结构中的部件。压缩空气通过这些部件使其振动，就像空气通过海豚鼻子中紧闭的发音唇一样。
不幸的是，海军研究办公室的预算最近被削减了，克兰福德的项目就是其中之一。但他并没有因此放弃；关于这些动物如何发出声音，还有太多东西需要学习。“我们还没有获得完美的海豚咔哒声，”他说，“但我们已经非常接近成功，不能放弃。”
