水母如何成为海洋中最有效率的游泳者

水母操控物理学原理,成为海洋中最有效率的移动动物

亚历山大·谢苗诺夫

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水母从不停歇。每天24小时,每周7天,它们在水中移动,寻找虾和鱼幼虫等食物,每天的行程可达数公里。它们比任何其他游泳者都更有效率,相对于它们的大小,它们消耗的能量比优雅的海豚或巡游的鲨鱼都少。“它们的运输成本——它们移动时使用的氧气——比任何其他游泳动物低48%,”南佛罗里达大学的海洋生物学家布拉德福德·J·杰梅尔说。通过研究海月水母,即海月水母物种,杰梅尔和其他研究人员最近发现,水母通过在其身体周围产生高压区和低压区来完成这一壮举,这些区域交替地吸和推它们前进。

科学家们曾经认为水母之所以能轻松旅行,是因为它们很轻,主要成分是水。但是水有质量,质量仍然需要被移动。因此,杰梅尔与斯坦福大学的工程师约翰·达比里及其同事一起,进行了近距离观察。他们将一只水母放入水箱中,并将微小的玻璃珠放入水中。通过用激光照射这些珠子,他们可以用高速摄像机跟踪它们的运动,从而基本上使动物周围的水流速度和压力可见。

当动物收缩它的钟状体——构成水母身体大部分的圆顶时——它在钟状体外部产生较低的压力,在内部产生较高的压力。科学家们在2015年11月发表在《自然通讯》上的文章中指出,由于物体从高压向低压移动,海月水母被向前拉动。


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然后研究人员得到了一个惊喜。当水母放松钟状体边缘,使其张开时,动物下方的高压水上升到钟状体内。“即使在它放松时,它也给了海月水母第二次向前推动,”杰梅尔说。为了完成这些动作,水母需要上下弯曲钟状体边缘。水母有肌肉,但大多数肌肉像一堆橡皮筋一样围绕着钟状体。这种排列主要适用于挤压。然而,最近,北卡罗来纳大学威尔明顿分校的生物学家理查德·萨特利在边缘发现了其他呈角度伸出的肌肉。这些纤维让水母弯曲边缘,移动周围的水,从而成为非常有效的游泳者。

水母的游泳姿势

水母在自身周围产生高压区和低压区,然后从一个区域移动到另一个区域。通过将微小的玻璃珠放入装有水母的水箱中,一组科学家能够看到一个涡流——一个相对低压的旋转水环——沿着水母向下滚动。如下面的横截面切片所示,涡流(蓝色)显示为两个水轮(1)。当水母收缩时,它在钟状体内产生更高的压力,动物被拉向前方的较低压力区(2)。通过弯曲钟状体边缘,水母将涡流向下移动到下方(3)。涡流在那里旋转时向上推水,给水母额外的推动力(4)。

插图作者:埃莉诺·卢茨

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