魚兒懸停水中為何要消耗更多能量

在南加州圣克萊門特島附近，一條加里波第魚在水中懸停。圖片來源：斯克里普斯海洋研究所

你在水族箱里見過這樣的畫面嗎：魚兒靜止懸停在水中，仿佛被施了魔法般一動不動，連水流拂過魚鰭都紋絲不動。長久以來，科學(xué)家都認(rèn)為這是魚類最省力的休息姿勢，但最新研究卻顛覆了這一認(rèn)知——懸停時的魚兒，其實(shí)正在默默燃燒著兩倍于休息狀態(tài)的能量！這背后，是一場關(guān)于平衡、進(jìn)化與流體力學(xué)精妙博弈的故事。

幾乎所有硬骨魚體內(nèi)都藏著一個神奇的“氣球”——魚鰾。這個充滿氣體的囊狀器官，讓魚類獲得近乎完美的中性浮力。就像潛水艇通過調(diào)節(jié)水艙控制沉浮，魚類也能通過收縮或擴(kuò)張魚鰾，在水中實(shí)現(xiàn)“懸浮模式”。但這看似完美的設(shè)計卻暗藏悖論：魚鰾提供的浮力中心，往往與魚體的重心并不重合。想象一個裝滿水的氣球綁在木棍一端，木棍的另一端就是你的手——想要讓這個裝置垂直懸浮在空中，必須不斷調(diào)整手臂的角度。魚類懸停時的處境與此類似：它們的魚鰾通常位于身體前部，而重心多在身體中部，這種結(jié)構(gòu)上的“天生缺陷”讓它們隨時面臨傾倒、翻滾甚至“漂移”的風(fēng)險。

為了揭開懸停的真相，科學(xué)家將13種魚類放入特制水箱，用高速攝像機(jī)捕捉它們懸停時的每一個細(xì)微動作。結(jié)果令人震驚：這些看似靜止的魚兒，實(shí)際上在進(jìn)行著高頻的“隱形運(yùn)動”——胸鰭以每秒數(shù)次的頻率輕輕擺動，背鰭和尾鰭不斷調(diào)整角度，就像芭蕾舞者用腳尖維持平衡一般。

更精妙的是，不同魚類的“平衡策略”各具特色：胸鰭位置靠后的魚類仿佛擁有更長的“操控桿”，能更高效地調(diào)整姿態(tài)；體型修長的魚類則需要付出更多能量對抗水流擾動；而那些圓潤可愛的魚，卻憑借緊湊的體型成為懸停界的“節(jié)能高手”。

懸停時的魚類代謝率比靜止或休息時高出整整兩倍。這種高耗能的生存策略，實(shí)則是數(shù)百萬年進(jìn)化的結(jié)晶。譬如那些擅長高速巡游的魚類，懸停效率更低些，但看似靜止的身體，實(shí)則是積蓄力量的彈簧，能像箭般在水域中疾馳；而那些生活在復(fù)雜珊瑚礁的魚類，進(jìn)化出了更圓潤的體型，犧牲速度換取懸停時的穩(wěn)定性，可以靜靜等待獵物上門——這都是它們用身體寫出的生存智慧密碼。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對魚類行為的認(rèn)知，還為水下機(jī)器人設(shè)計提供了新思路。傳統(tǒng)水下機(jī)器人常通過螺旋槳持續(xù)推動保持懸停，不僅耗能且易傷及海洋生物。而模仿魚類懸停機(jī)制的機(jī)器人，或能通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)調(diào)控鰭片，實(shí)現(xiàn)在珊瑚礁等復(fù)雜環(huán)境中的精準(zhǔn)作業(yè)。（記者 張夢然）

(責(zé)編：郝孟佳、李依環(huán))