在觀察水族箱或潛入深海時(shí)，我們常會(huì)看到魚類仿佛不費(fèi)吹灰之力地懸浮在水中。它們或是在靜候獵物，或是在守護(hù)魚卵，又或是在劇烈活動(dòng)后的間歇中尋求片刻安寧。一項(xiàng)最新的科研成果徹底打破了這種“靜謐”的假象。研究表明，這種被稱為“懸停”的行為——即魚類在水中保持原地不動(dòng)的狀態(tài)，其對(duì)能量的需求遠(yuǎn)比科學(xué)家此前認(rèn)為的要大得多。

在一項(xiàng)針對(duì)13種近乎中性浮力的魚類的對(duì)比研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，魚類在懸停時(shí)的代謝率幾乎是靜止?fàn)顟B(tài)（即魚類依靠容器底部支撐體重時(shí)）的兩倍。在某些特定情況下，這種能量消耗甚至更高。這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來的科學(xué)假設(shè)，即魚類可以以極低的生理成本在水層中保持靜止。

大多數(shù)硬骨魚類擁有魚鰾，這使它們能夠調(diào)節(jié)浮力，從而避免下沉或上浮。正是這種能力讓人們產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺：一旦魚類達(dá)到中性浮力，它就能以最小的代價(jià)維持在選定的深度。但研究結(jié)果顯示，事實(shí)遠(yuǎn)比這復(fù)雜。一個(gè)懸停的魚類不僅要平衡重力和浮力，還必須時(shí)刻掌控自己的姿態(tài)。

在許多魚類身上，重心與浮力中心并不能完美重合。兩者之間微小的偏差會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩，如果不加以糾正，魚類就會(huì)發(fā)生翻滾或傾斜。即便在看似靜止的水體中，懸停的魚類也必須反復(fù)對(duì)抗這些微小的旋轉(zhuǎn)力。那種看似安詳?shù)膽腋顟B(tài)，實(shí)際上是持續(xù)且精準(zhǔn)的姿態(tài)調(diào)整后的產(chǎn)物。

為了探究這些修正動(dòng)作背后的真實(shí)能量成本，研究人員將代謝測(cè)量與細(xì)微的運(yùn)動(dòng)觀察相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)中，每條魚都被安置在呼吸室中，以便測(cè)量其在懸停期間的耗氧量。同時(shí)，同步的高速攝像機(jī)捕捉了它們的所有細(xì)微動(dòng)作。研究團(tuán)隊(duì)還通過解剖學(xué)測(cè)量和顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，量化了魚類身體構(gòu)造的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括重心和浮力中心的確切位置。

盡管這些魚類在維持姿勢(shì)平衡方面表現(xiàn)得極為出色，但高頻記錄揭示了一連串從未中斷的微小鰭部動(dòng)作。胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭都參與到了維持位置的任務(wù)中。不同物種的鰭片運(yùn)動(dòng)軌跡各異，往往在水中劃出復(fù)雜的、三維的空間路徑。

這種活動(dòng)的能量后果令人側(cè)目。在所研究的13個(gè)物種中，懸停代謝率在每公斤每小時(shí)158至351毫克氧氣之間浮動(dòng)，始終高于靜止水平。大多數(shù)物種在懸停時(shí)的能量支出幾乎增加了一倍。

少數(shù)魚類，如絲足魚，能夠以較小的代謝代價(jià)實(shí)現(xiàn)懸停。諸如大斑馬魚、麗魚和玻璃貓魚等物種則消耗了遠(yuǎn)多于此的能量。在這些高能耗物種中，尾部發(fā)揮了格外積極的作用，其尾鰭的移動(dòng)幅度明顯大于低成本物種。這表明，依靠尾部驅(qū)動(dòng)的姿態(tài)修正，而非僅僅依靠胸鰭，是維持靜止任務(wù)的核心。

魚類的體型對(duì)能量需求有著顯著影響。身體寬闊深厚的魚類擁有更大的表面積，當(dāng)水流在它們周圍移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的阻力，這使它們天然地更能抵抗非預(yù)期的旋轉(zhuǎn)。因此，這類物種對(duì)鰭部動(dòng)作的依賴程度較低，能夠以相對(duì)較低的能量代價(jià)維持位置。

相比之下，細(xì)長(zhǎng)或窄體型的魚類天生穩(wěn)定性較差，需要更頻繁的動(dòng)作修正。此外，鰭的位置也至關(guān)重要。胸鰭位置相對(duì)靠后的物種在懸停時(shí)效率更高，因?yàn)榧词故俏⑿〉膭?dòng)作，也能產(chǎn)生有效的穩(wěn)定力矩。

由此可見，懸停絕非一項(xiàng)微不足道的活動(dòng)。許多魚類全天都在例行公事般地進(jìn)行這項(xiàng)活動(dòng)——無論是守護(hù)魚卵、濾食水中的微粒、躲避障礙物，還是在魚群中保持隊(duì)形。量化這些常規(guī)動(dòng)作所需的能量，有助于生物學(xué)家更準(zhǔn)確地描繪魚類的日常生活畫像，并理解它們所面臨的生態(tài)壓力。

這項(xiàng)研究的實(shí)際意義不僅限于生物學(xué)領(lǐng)域。工程師在設(shè)計(jì)水下機(jī)器人時(shí)，也面臨著與魚類相同的挑戰(zhàn)。一個(gè)需要在流動(dòng)水體中保持位置的機(jī)器人，可能會(huì)在自我穩(wěn)定過程中浪費(fèi)大量電力。通過研究魚類如何協(xié)調(diào)多片鰭來糾正微小擾動(dòng)，設(shè)計(jì)者或許能夠開發(fā)出更高效的水下航行器，使其在長(zhǎng)時(shí)間懸停的同時(shí)大幅降低能耗。

下次當(dāng)你看到魚兒在水族箱中看似輕松地懸浮時(shí)，請(qǐng)記住平靜表象下的真相。懸停看似簡(jiǎn)單，實(shí)則是平衡與控制的一項(xiàng)驚人壯舉。研究表明，魚類為了留在原地所投入的能量遠(yuǎn)超預(yù)期——對(duì)于這些看起來無所事事的動(dòng)物而言，這正是它們?nèi)粘Ｉ钪幸还P巨大的隱形成本。

奧塔爾·阿卡內(nèi)蒂、瓦倫蒂娜·迪·桑托