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科学家首次揭秘“吸盘鱼”的神奇技能

2020-11-01 08:48 主页 来源:未知
科学家首次揭秘“吸盘鱼”的神奇技能 

在海洋里有一种性情懒惰的鱼,体形瘦长,头颈部长着一个椭圆形大吸盘,以附着在鲨鱼或其他较大海洋生物的身体上遨游著称。它叫印鱼(remora fish),因为吸盘形状像图章而得名。
这种擅长“搭便车”的潜水鱼为何如此驾轻就熟,一直不为人知。一项对鲸鱼的新研究首次“意外地”完全记录下印鱼的冲浪秀,揭示了其在“搭乘”体长30米的蓝鲸时所使用的精巧技能,以“驾驭”剧烈的流体动力学。


加拉帕戈斯国家公园拍到的鲸鲨尾巴上的印鱼
使用先进生物传感标签
这项研究报告发表在10月28日的《实验生物学杂志》(Journal of Experimental Biology)上,一个国际研究团队研究了蓝鲸在美国加利福尼亚州派洛斯福德和圣迭戈海岸附近活动的独特流体环境。研究称,利用具有视频录制功能的先进生物传感标签,有史以来第一次连续捕捉到印鱼在宿主生物体上进行自我控制的行为。
印鱼归属䲟科(Echeneididae),通常可以长到1米,只有蓝鲸体长的三十分之一。这项研究揭示了印鱼成功“搭乘”蓝鲸安全穿越海洋的秘诀:它们选择鲸鱼身体上最适宜水流动的区域附着,比如鲸鱼的通气孔后面,那里的阻力减少了84%。
研究还显示,即使鲸鱼的突增速度超过每秒5米,印鱼也可以在“骑行”过程中自由移动和进食。它们沿着鲸鱼身体表面附近存在的特殊低阻“行车道”进行冲浪,而科学家以前并不知道印鱼这种冲浪和掠过行为。

印鱼吸附在鲸鱼上的静止图像
研究人员表示,这项研究代表了迄今为止对鲸鱼进行的分辨率最高的全身流体动力学分析,从中得出的结果可能会被用作更好地了解该物种的行为、体能应用和整体生态健康的基础,并在未来的研究中改进对鲸鱼和其他迁徙动物的标记和跟踪。
该研究的主要作者、新泽西理工学院生物学助理教授布鲁克·弗拉曼(Brooke Flammang)表示:“鲸鱼就像它们自己的浮岛,基本上就像它们自己的小生态系统。通过这项研究,在毫米级分辨率内了解蓝鲸的流动环境非常令人兴奋。”
研究鲸鱼却有意外收获
“很幸运和巧合,我们的记录捕捉到印鱼与鲸鱼是如何在这种环境中相互作用,并能够利用鲸鱼独特的流动动力学来发挥自身优势。这令人难以置信,因为我们几乎完全不了解印鱼在野外长时间内是如何在宿主身上表现的。”弗拉曼补充道。
此前,科学家们主要依靠静止图像和未经证实的数据来研究印鱼和其在海洋栖息地的宿主之间的共生关系。印鱼如何处理水下的黏附行为一直是个谜。
在新研究中,研究人员使用了带有双摄像头的多传感器生物记录标签,通过四个分别约5厘米的吸盘将这些标签固定在鲸鱼身上。这些标签能够计算鲸鱼生态系统内的各种测量值,比如鲸鱼周围的表面压力和复杂的流体力,以及GPS位置和通过标签振动产生的行进速度。所有这些都是以每秒24帧和720p分辨率的视频记录的,而同时也记录下印鱼的行为。
“以往,蓝鲸酒窝状的‘飞机驾驶舱’上的阻力已经被测量了很多次,我们能够应用这些知识来帮助计算出这些印鱼所经历的阻力,”格罗夫城学院生物流体动力学研究员埃里克·安德森(Erik Anderson)说,“但是我们的研究有史以来第一次使用了计算流体力学来计算蓝鲸的流动……这需要一个由生物学家、程序员、工程师和一台超级计算机组成的国际团队来完成。”
吸盘非常坚固,可粘在任何位置
研究小组借助西班牙巴塞罗那超级计算中心对211分钟的视频片段和鲸鱼标签数据进行了处理,在整个鲸鱼身上的61个位置捕捉到27条印鱼,发现这些印鱼通常是在三个最有利于流体动力学的位置之间移动。这三个位置由鲸鱼独特的体形特征造成了水流和尾流分离:通气孔的正后方,背鳍的旁边和后面,以及胸鳍上方和后面的侧翼区域。


印鱼在蓝鲸上的附着位置(蓝色圆圈:1条印鱼附着;红色圆圈:超过3条印鱼附着)
根据研究小组的测量,鲸鱼以1.5米/秒的闲适速度游动时,在其通气孔后面的尾流中,一条中等大小的印鱼所承受的切应力可以低至0.02牛顿,是自由水流中阻力的一半。鲸鱼的尾巴附近能产生最大的流体动力值,吸附在这个位置的印鱼所承受的切应力高达0.14牛顿。
然而,安德森指出,印鱼自身的吸附力为11至17牛顿,所以鲸鱼即使以更高的速度游动,印鱼也能轻松“骑行”。
安德森说:“我们发现,印鱼的吸盘非常坚固,它们可以粘在鲸鱼任何位置,甚至是阻力最大的尾部,但它们喜欢轻松地‘骑行’。”“这为它们节省了体能,也降低了生活成本,因为它们就像NASA探测器围绕在小行星上空一样搭便车,并在鲸鱼表面上掠过。”
通过“文丘里效应”冲浪?
先进生物传感标签显示,为节省体能,印鱼充分利用了鲸鱼的物理优势:它们在鲸鱼身体周围的一层薄薄流体中冲浪,这层流体被称为“边界层”(boundary layer)。研究人员发现,与自由水流相比,“边界层”的阻力减少了72%。
【视频:印鱼沿着鲸鱼身体冲浪】
弗拉曼说,这些印鱼可以在“边界层”位置离开鲸鱼身体不到1厘米,而在鲸鱼身上的其他低阻力“社交场所”进食或与配偶会合,偶尔通过掠过改变方向,或者反复将吸盘附着到鲸鱼身上并释放。
弗拉曼猜测,印鱼通过一种“文丘里效应”(Venturi effect)能够在不完全脱离其快速移动的宿主情况下自由移动,而后者的移动速度几乎是印鱼的7倍。
【视频:印鱼沿着鲸鱼身体进食】
“这种掠过和冲浪的行为令人惊叹。我们认为,通过保持与鲸鱼身体大约1厘米的距离,印鱼利用了文丘里效应,并利用吸力来保持近距离接触。”弗拉曼解释,“在印鱼和鲸鱼之间的这个狭窄空间里,当流体被输送到其中时,能以更快速度移动但压力更低,所以不会把印鱼推开,反倒可以将其吸向宿主。印鱼可以游到自由水流中咬一口食物,然后再回到‘边界层’,但在自由水流中游动需要更多的能量。”
除了揭开印鱼“搭便车”能力的新细节外,研究人员表示,他们将继续探索鲸鱼周围的流动环境,以及诸如印鱼之类的特定适应生物成功附着于宿主的机制,以改进动物标签技术和扩展设计,延长行为和生态监测期。


印鱼沿着鲸鱼身体进食的静止图像
研究小组还表示,利用他们对印鱼首选的低阻力附着位置的新发现,在未来研究中将更好地选择给鲸鱼贴上先进生物传感标签的位置。
弗拉曼说:“研究鲸鱼是一个极其艰巨的过程,标签通常在48小时内脱落。如果我们能想出一种更好的方式,通过更好的标签放置或更好的技术来收集长期数据,这真的可以促进人类对该物种以及许多依附动物的了解。”