盘旋的鱼燃烧两倍的能量——研究震惊科学家
鱼让一动不动地悬挂在水柱中看起来毫不费力，科学家们长期以来一直认为这意味着这是一种休息。 现在，一项新的研究表明，与休息相比，鱼在原地盘旋时消耗的能量几乎是静止的两倍。 这项研究由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的科学家领导，还详细介绍了鱼类盘旋的生物力学，其中包括持续、微妙的鳍运动，以防止倾倒、漂移或滚动。这种对鱼类如何主动保持位置的更深入的了解可以为面临类似挑战的水下机器人或无人机的设计提供信息。 研究结果于 7 月 7 日发表在美国国家科学院院刊上，推翻了科学文献中长期存在的假设，即对于有鱼鳔的鱼来说，在水中保持静止位置几乎是毫不费力的。 做出这种假设的原因是几乎所有的硬骨鱼都有充满气体的囊称为鱼鳔，使它们能够达到中性浮力——既不会下沉，也不会上升到水面。 鱼鳔的存在和盘旋的鱼的静止导致研究界认为盘旋是一种鱼类易于维持的休息形式。 研究的主要作者、斯克里普斯海洋生物学家瓦伦蒂娜·迪桑托 （Valentina Di Santo） 的先前研究发现，溜冰鞋以不同的速度游泳所需的能量遵循明显的 U 形曲线，其中慢速和快速游泳需要最多的能量，而中速是最节能的。 基于这些发现，迪桑托怀疑悬停可能比表面上看到的要多。 为了了解更多信息，Di Santo 和她的合著者对 13 种带有鱼鳔的鱼进行了实验。 该团队将每条鱼放入一个专门的水箱中，并记录它们在主动悬停和静止期间的耗氧量（当鱼用水箱底部）。 当鱼盘旋时，研究人员用高速摄像机拍摄它们，以捕捉它们的鳍运动，跟踪每个鳍的移动方式以及它们跳动的频率。 研究人员还对每条鱼的体型和形状进行了各种测量。 特别是，科学家们测量了鱼的质心（由重量分布决定）与浮力中心（与形状和位置有关）之间的物理间隔它的鱼鳔。 所有这些测量都提供了一种量化每条鱼的稳定性或不稳定性的方法。 研究发现，与之前的假设相反，悬停燃烧的能量大约是休息时的两倍。 “悬停有点像试图在一辆不动的自行车上保持平衡，”迪桑托说。 尽管鱼鳔使它们几乎失重，但鱼本质上是不稳定的，因为它们的质心和浮力中心并不完全对齐。 这分离会产生倾斜和滚动的趋势，迫使鱼不断调整鳍以保持位置。 研究发现，质心和浮力之间距离较大的物种在悬停时消耗更多的能量。 这表明抵消不稳定性是驱动悬停过程中消耗能量的因素之一。 “令我印象深刻的是，尽管这些鱼本质上不稳定，但所有这些鱼都能出色地保持稳定的姿势，”迪说桑托。 鱼的形状和胸鳍的位置也影响其悬停效率。 胸鳍在身体后面较远的鱼通常在悬停时能够燃烧更少的能量，迪桑托认为这可能是由于杠杆作用的提高。 细长的鱼类，如贝壳居民慈鲷 （Lamprologus ocellatus） 和巨型丹尼奥鱼 （Devario aequipinnatus），盘旋效率较低，而身体又深又紧凑的鱼类，如金鱼 （Carassiusauratus）或八字形河豚（Dichotomyctere ocellatus）更有效。 “这改变了我们看待悬停的方式。 这根本不是一种休息形式，“迪桑托说。 “这是一项耗费精力的活动，但鱼无论如何都会参与这项活动，因为它非常有用。” 守卫巢穴、在特定位置觅食或在水柱中保持位置等活动比以前想象的要高得多。 该研究的结果还揭示了一种进化鱼体型的权衡，提高机动性是以悬停效率为代价的，反之亦然。 迪桑托说，悬停的高能量成本并不是一个缺点，而是一种必要的权衡，它使鱼类具有应对珊瑚礁等复杂栖息地挑战所需的非凡敏捷性。 这些发现可以为水下机器人和航行器的设计提供信息，它们还必须在保持敏捷性的同时保持稳定性。 “通过学习鱼类如何实现这种平衡，我们可以获得强大的设计原则，以构建更高效、响应更灵敏的水下技术，“Di Santo 说。 特别是，这些发现可能有助于提高水下机器人的机动性，这可以使它们能够进入和探索复杂、难以导航的环境，如珊瑚礁或沉船。 根据 Di Santo 的说法，水下机器人历来设计为紧凑的形状，使其稳定。 与鱼一样，形状具有更多内置稳定性，机动性较差。 “如果你想要一个可以在狭小空间中机动的机器人，你可能必须向这些鱼学习，在一些不稳定性中进行设计，然后添加可以在需要时动态保持稳定性的系统，”Di Santo 说。 除了 Di Santo 之外，该研究还由斯德哥尔摩大学的 Xuewei Qi、斯克里普斯海洋学的 Fidji Berio、斯德哥尔摩大学的 Angela Albi、马克斯普朗克动物行为研究所和康斯坦茨大学和威尔士阿伯里斯特威斯大学的奥塔尔·阿卡尼耶蒂。 该研究得到了瑞典研究委员会、欧盟委员会、斯德哥尔摩大学脑成像中心和海洋生物实验室惠特曼科学家计划的支持。