在水中懸停，比過去認(rèn)為的更耗能

懸停，即在流體中讓身體保持在一個(gè)基本不移動(dòng)的位置的能力，對(duì)于許多魚類在捕食、探索棲息地和交配過程中都至關(guān)重要。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，對(duì)于具有魚鰾的魚類而言，這種行為能量消耗水平很低大致接近靜止休息時(shí)的水平。

然而，一項(xiàng)新發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》的研究對(duì)這一觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。通過對(duì)13種近中性浮力魚類進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，懸停時(shí)的代謝率幾乎是休息時(shí)（通過接觸水箱底部來支撐自身重量）的兩倍；在某些情況下，這一數(shù)值甚至更高。

持續(xù)糾正

大多數(shù)硬骨魚都具有魚鰾，這使它們能夠調(diào)節(jié)浮力，避免下沉或上浮。這種能力讓人們形成了一種看法：一旦魚達(dá)到中性浮力，它就能以極小的代價(jià)停留在選定的深度。而新的研究結(jié)果表明，實(shí)際情況要復(fù)雜得多。一條處于懸停狀態(tài)的魚，不僅要平衡重力與浮力，還必須控制自己的姿態(tài)。

在許多物種中，質(zhì)心與浮心并不能完全重合。兩者之間的輕微偏移會(huì)持續(xù)產(chǎn)生力矩，如果不采取糾正措施，就會(huì)使魚發(fā)生翻滾或俯仰。即使在靜水中，一條懸停的魚也必須不斷抵消這些微小的旋轉(zhuǎn)力。因此，看起來平靜的懸停，實(shí)際上是持續(xù)而精確調(diào)節(jié)的結(jié)果。

為了理解這些糾正動(dòng)作真正的能量成本，研究人員將代謝測(cè)量與細(xì)致的運(yùn)動(dòng)觀察結(jié)合了起來。他們將每條魚都放入一個(gè)呼吸測(cè)量室中，以便測(cè)量其懸停時(shí)的耗氧量。與此同時(shí)，他們還使用高速攝像機(jī)來記錄它們的運(yùn)動(dòng)。最后，他們通過解剖學(xué)測(cè)量和微型CT掃描，量化了多個(gè)重要的體型特征，包括質(zhì)心和浮心的位置。

懸停代價(jià)的來源

盡管這些魚極其擅長維持姿態(tài)平衡，但錄像顯示，它們的魚鰭始終在進(jìn)行細(xì)微運(yùn)動(dòng)。胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭都參與了維持位置這一任務(wù)。不同物種的魚鰭運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同，而且往往勾勒出復(fù)雜的三維路徑。

這種活動(dòng)所產(chǎn)生的能量十分驚人。在這13個(gè)物種中，懸停時(shí)的代謝率范圍約為每千克每小時(shí)158到351毫克氧，始終高于休息水平。大多數(shù)物種在懸停時(shí)的代謝消耗幾乎翻倍。

有些魚類，例如絲足魚，懸停時(shí)的代謝只略有上升。還有一些魚類，包括波條斑馬魚、麗魚和德氏真钖伯鯰，則消耗了高得多的能量——在這些物種中，尾部發(fā)揮了特別積極的作用，它們尾鰭的運(yùn)動(dòng)幅度大于那些低耗能物種。這表明，在保持靜止這項(xiàng)任務(wù)中，起核心作用的是由尾部驅(qū)動(dòng)的糾正，而不僅僅是胸鰭的使用。

體型對(duì)能量需求也有著明顯影響。體型較深厚的魚，由于表面積更大，在水流繞體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的阻力，因此天生更善于抵抗不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)。這些物種較少依賴魚鰭運(yùn)動(dòng)，并且能夠以相對(duì)較低的能量代價(jià)維持位置。

體形細(xì)長或狹窄的魚，天生穩(wěn)定性就較差，因此需要更頻繁地進(jìn)行糾正。魚鰭的位置也很重要。胸鰭位置更靠后的物種懸停效率更高，因?yàn)榧幢闶呛苄〉膭?dòng)作，也能產(chǎn)生有效的穩(wěn)定力。

日常行為中的隱性代價(jià)

因此，懸停絕非一項(xiàng)微不足道的活動(dòng)。許多魚在一天中都會(huì)反復(fù)進(jìn)行這一行為，無論是守護(hù)魚卵、攝食水中的顆粒、避開障礙物，還是在魚群中保持自己的位置。理解這些日常動(dòng)作究竟需要多少能量，有助于生物學(xué)家更準(zhǔn)確地描繪魚類的日常生活，以及它們所面臨的生態(tài)壓力。

這些發(fā)現(xiàn)也揭示了魚類形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式的進(jìn)化。許多真骨魚類（也就是硬骨魚，如鱈魚、鮭魚和金魚）天生就是不穩(wěn)定的。這種特性使它們?cè)谛枰鞭D(zhuǎn)彎或躲避捕食者時(shí)，能夠迅速靈活移動(dòng)。

但同樣的這種不穩(wěn)定性，也意味著它們一旦停止前進(jìn)，就必須不斷進(jìn)行糾正。在不穩(wěn)定性、控制能力與能量消耗之間的權(quán)衡，塑造了現(xiàn)代魚類身體形態(tài)和魚鰭排列方式的驚人多樣性。

從魚到水下機(jī)器人

這項(xiàng)研究在生物學(xué)之外也具有實(shí)際意義。設(shè)計(jì)水下機(jī)器人的工程師面臨著許多與魚類早已解決的問題相同的挑戰(zhàn)。一個(gè)需要在流動(dòng)水體中保持位置的機(jī)器人，可能會(huì)在自我穩(wěn)定上浪費(fèi)大量能量。通過研究魚類如何協(xié)調(diào)多種魚鰭來糾正細(xì)微擾動(dòng)，設(shè)計(jì)者或許能夠制造出更高效的航行器，使其能夠以更低的能耗長時(shí)間懸停。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

原文：Otar Akanyeti & Valentina Di Santo

編譯：糖獸

#參考來源：

https://theconversation.com/fish-use-more-energy-to-stay-still-than-previously-thought-266626

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2420015122

#圖片來源：

封面圖&首圖：smartart / Pixabay