企鹅为何摇摆

假日重播:生物力学

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尽管企鹅在水中滑行自如,但在陆地上却是笨拙的生物。事实上,在行走方面,企鹅消耗的能量是同等大小的其他陆地动物的两倍。然而,它们独特的摇摆步态并非罪魁祸首。根据今天发表在《自然》杂志上的研究,这种笨拙的步态是企鹅在陆地上移动的最有效方式。

为了研究企鹅步行的生物力学,加州大学伯克利分校的研究生蒂莫西·M·格里芬 (Timothy M. Griffin) 和科罗拉多大学的罗杰·克拉姆 (Rodger Kram) 诱导圣地亚哥海洋世界的帝企鹅摇摆着走过一个测力平台。这使得研究人员能够测量侧向和前后方向的力,以及支撑动物体重的垂直力。“我们最初的猜测是,如果企鹅试图向前移动,但却因为这种笨拙的、摇摆不定的、前后运动而浪费能量,那肯定是能量的浪费,”克拉姆回忆道。“但我们发现,它们的效率低下是因为腿短和脚大,而摇摆是一种减少损失的方式。”

事实上,就一次步幅中保留的能量百分比——一种称为恢复率的度量——而言,企鹅的得分出人意料地高:例如,人类的恢复率约为 65%,而帝企鹅的恢复率高达 80%——在所有陆地动物中是最高的。研究小组确定,如果没有这种侧向运动,企鹅的效率会更低。“企鹅的摇摆运动有助于提高它们的重心,”格里芬解释说。“如果没有它,它们的肌肉就必须弥补这项工作。” 然而,如果企鹅一开始没有如此短小的腿,它们就不必摇摆了。但这些比例有利于潜水和游泳。它们也可能减少热量散失,这将有助于企鹅在严寒的南极冬季孵化它们的蛋。显然,他观察到,企鹅已经做出了进化上的权衡。


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格里芬现在正在研究其他企鹅物种和四足动物,以进一步探索步行的力学和能量学。“我们从企鹅身上获得的知识为理解横向运动增加的人类步态力学提供了新的见解,例如孕妇或肥胖个体,”他说。“这些信息可能有助于改进对步态障碍个体的理解、评估和治疗。”

Kate Wong is an award-winning science writer and senior editor at 大众科学 focused on evolution, ecology, anthropology, archaeology, paleontology and animal behavior. She is fascinated by human origins, which she has covered for more than 25 years. Recently she has become obsessed with birds. Her reporting has taken her to caves in France and Croatia that Neandertals once called home, to the shores of Kenya's Lake Turkana in search of the oldest stone tools in the world, to Madagascar on an expedition to unearth ancient mammals and dinosaurs, to the icy waters of Antarctica, where humpback whales feast on krill, and on a "Big Day" race around the state of Connecticut to find as many bird species as possible in 24 hours. Kate is co-author, with Donald Johanson, of Lucy's Legacy: The Quest for Human Origins. She holds a bachelor of science degree in biological anthropology and zoology from the University of Michigan. Follow Wong on X (formerly Twitter) @katewong

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