在水中悬停，比过去认为的更耗能

悬停，即在流体中让身体保持在一个基本不移动的位置的能力，对于许多鱼类在捕食、探索栖息地和交配过程中都至关重要。传统观点认为，对于具有鱼鳔的鱼类而言，这种行为能量消耗水平很低大致接近静止休息时的水平。

然而，一项新发表于《美国国家科学院院刊》的研究对这一观点提出了挑战。通过对13种近中性浮力鱼类进行比较，研究团队发现，悬停时的代谢率几乎是休息时（通过接触水箱底部来支撑自身重量）的两倍；在某些情况下，这一数值甚至更高。

持续纠正

大多数硬骨鱼都具有鱼鳔，这使它们能够调节浮力，避免下沉或上浮。这种能力让人们形成了一种看法：一旦鱼达到中性浮力，它就能以极小的代价停留在选定的深度。而新的研究结果表明，实际情况要复杂得多。一条处于悬停状态的鱼，不仅要平衡重力与浮力，还必须控制自己的姿态。

在许多物种中，质心与浮心并不能完全重合。两者之间的轻微偏移会持续产生力矩，如果不采取纠正措施，就会使鱼发生翻滚或俯仰。即使在静水中，一条悬停的鱼也必须不断抵消这些微小的旋转力。因此，看起来平静的悬停，实际上是持续而精确调节的结果。

为了理解这些纠正动作真正的能量成本，研究人员将代谢测量与细致的运动观察结合了起来。他们将每条鱼都放入一个呼吸测量室中，以便测量其悬停时的耗氧量。与此同时，他们还使用高速摄像机来记录它们的运动。最后，他们通过解剖学测量和微型CT扫描，量化了多个重要的体型特征，包括质心和浮心的位置。

悬停代价的来源

尽管这些鱼极其擅长维持姿态平衡，但录像显示，它们的鱼鳍始终在进行细微运动。胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍都参与了维持位置这一任务。不同物种的鱼鳍运动轨迹各不相同，而且往往勾勒出复杂的三维路径。

这种活动所产生的能量十分惊人。在这13个物种中，悬停时的代谢率范围约为每千克每小时158到351毫克氧，始终高于休息水平。大多数物种在悬停时的代谢消耗几乎翻倍。

有些鱼类，例如丝足鱼，悬停时的代谢只略有上升。还有一些鱼类，包括波条斑马鱼、丽鱼和德氏真钖伯鲶，则消耗了高得多的能量——在这些物种中，尾部发挥了特别积极的作用，它们尾鳍的运动幅度大于那些低耗能物种。这表明，在保持静止这项任务中，起核心作用的是由尾部驱动的纠正，而不仅仅是胸鳍的使用。

体型对能量需求也有着明显影响。体型较深厚的鱼，由于表面积更大，在水流绕体运动时会产生更大的阻力，因此天生更善于抵抗不必要的转动。这些物种较少依赖鱼鳍运动，并且能够以相对较低的能量代价维持位置。

体形细长或狭窄的鱼，天生稳定性就较差，因此需要更频繁地进行纠正。鱼鳍的位置也很重要。胸鳍位置更靠后的物种悬停效率更高，因为即便是很小的动作，也能产生有效的稳定力。

日常行为中的隐性代价

因此，悬停绝非一项微不足道的活动。许多鱼在一天中都会反复进行这一行为，无论是守护鱼卵、摄食水中的颗粒、避开障碍物，还是在鱼群中保持自己的位置。理解这些日常动作究竟需要多少能量，有助于生物学家更准确地描绘鱼类的日常生活，以及它们所面临的生态压力。

这些发现也揭示了鱼类形态与运动方式的进化。许多真骨鱼类（也就是硬骨鱼，如鳕鱼、鲑鱼和金鱼）天生就是不稳定的。这种特性使它们在需要急转弯或躲避捕食者时，能够迅速灵活移动。

但同样的这种不稳定性，也意味着它们一旦停止前进，就必须不断进行纠正。在不稳定性、控制能力与能量消耗之间的权衡，塑造了现代鱼类身体形态和鱼鳍排列方式的惊人多样性。

从鱼到水下机器人

这项研究在生物学之外也具有实际意义。设计水下机器人的工程师面临着许多与鱼类早已解决的问题相同的挑战。一个需要在流动水体中保持位置的机器人，可能会在自我稳定上浪费大量能量。通过研究鱼类如何协调多种鱼鳍来纠正细微扰动，设计者或许能够制造出更高效的航行器，使其能够以更低的能耗长时间悬停。

#创作团队：

原文：Otar Akanyeti & Valentina Di Santo

编译：糖兽

#图片来源：

封面图&首图：smartart / Pixabay