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基本不移動的位置的能力，對于許多魚類在捕食、探索棲息地和交配過程中都至關(guān)重要。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，對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的水平。

然而，一項新發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》的研究對這一觀點提出了挑戰(zhàn)。通過對13種近中性浮力魚類進行比較，研究團隊發(fā)現(xiàn)，懸停時的代謝率幾乎是休息時（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：一旦魚達到中性浮力，它就能以極小的代價停留在選定的深度。而新的研究結(jié)果表明，實際情況要復(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持續(xù)產(chǎn)生力矩，如果不采取糾正措施，就會使魚發(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作真正的能量成本，研究人員將代謝測量與細(xì)致的運動觀察結(jié)合了起來。他們將每條魚都放入一個呼吸測量室中，以便測量其懸停時的耗氧量。與此同時，他們還使用高速攝像機來記錄它們的運動。最后，他們通過解剖學(xué)測量和微型CT掃描，量化了多個重要的體型特征，包括質(zhì)心和浮心的位置。

懸停代價的來源

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行細(xì)微運動。胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭都參與了維持位置這一任務(wù)。不同物種的魚鰭運動軌跡各不相同，而且往往勾勒出復(fù)雜的三維路徑。

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

有些魚類，例如絲足魚，懸停時的代謝只略有上升。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，它們尾鰭的運動幅度大于那些低耗能物種。這表明，在保持靜止這項任務(wù)中，起核心作用的是由尾部驅(qū)動的糾正，而不僅僅是胸鰭的使用。

體型對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，在水流繞體運動時會產(chǎn)生更大的阻力，因此天生更善于抵抗不必要的轉(zhuǎn)動。這些物種較少依賴魚鰭運動，并且能夠以相對較低的能量代價維持位置。

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，因為即便是很小的動作，也能產(chǎn)生有效的穩(wěn)定力。

日常行為中的隱性代價

因此，懸停絕非一項微不足道的活動。許多魚在一天中都會反復(fù)進行這一行為，無論是守護魚卵、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)與運動方式的進化。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。這種特性使它們在需要急轉(zhuǎn)彎或躲避捕食者時，能夠迅速靈活移動。

但同樣的這種不穩(wěn)定性，也意味著它們一旦停止前進，就必須不斷進行糾正。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。

從魚到水下機器人

這項研究在生物學(xué)之外也具有實際意義。設(shè)計水下機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)。一個需要在流動水體中保持位置的機器人，可能會在自我穩(wěn)定上浪費大量能量。通過研究魚類如何協(xié)調(diào)多種魚鰭來糾正細(xì)微擾動，設(shè)計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間懸停。

#創(chuàng)作團隊：

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