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天敵來襲?不怕,我會“凌波微步”

|· 本文來自“我是科學家”·|

“水面行走”這樣的高超本領,在各種武俠小說和影視作品中可以說是屢見不鮮了——各路大俠和超級英雄們天賦異稟,常常藐視地球引力的存在,邁開雙腳就能在江河湖海上之上來去奔走,如履平地。

古往今來,生活在現實世界里的人們,對水面行走這般絕技可謂滿懷憧憬,不斷有仁人志士挑戰“水上漂”和“水上跑”等極限項目。然而尷尬的是,不論大家的入水姿勢多有創意,結局似乎永遠都只有一個——沉下去。

這次一定能成功——誒?怎么又沉了……

看來,“笨重”的人類暫時是學不會水面行走了。還是讓我們來看看其他動物的表現如何吧!

其實,對于大部分動物來說,水面行走也是一項不可能完成的任務(所以人類不必太沮喪)。

不過,仍有一些身懷絕技的高手,能夠輕松活躍于水面之上——

比如水黽的家族成員,大多可以長期生活在水面上——它們的身體非常輕巧,加上修長美腿上無數密集的腿毛剛毛提供的超強疏水性,再借助水的表面張力,就可以自由自在地在水面漂浮移動了。

“水上漂”的行家——水黽。

一些身形嬌小的壁虎也能掌握這種本領,比如南美洲熱帶雨林中有一種侏儒壁虎,同樣能夠憑借輕盈的身體和防水的皮膚完全“立足”于水面之上,即使一動不動也不用擔心會沉下去。

身長不到5cm的侏儒壁虎能輕松站在水面上

可以看出,這些體型微小的生物,僅僅依靠天然裝備和體型優勢,就能泰然若之地在水面行走。但對于體重更大一些的生物來說,水面提供不了足夠的表面張力來抵消重力,想保持站立又不沉下去,就得多費些腿力了。

比如某些蜥蜴、水禽甚至海豚,會借助寬大的腳掌(或鰭)和強大的肌肉力量,通過高速“踩水花”產生額外的動力,讓自己的身體持續保持在水面之上。

蛇怪蜥蜴在遇到天敵時,會跳入水塘發足狂奔,讓岸邊的獵食者目瞪口呆。

??在求偶過程中會在水面踩著小碎步跳“踢踏舞”。

這些動物雖然不能“水上漂”,但掌握“水上跑”的本領也不賴。

壁虎也有絕學

而就在最近,科學家們無意間發現,東南亞常見的一種壁虎(Hemidactylus platyurus),竟然也深藏不露,掌握著一項集“水上漂”和“水上跑”于一體的技能。他們仔細研究了壁虎的這項絕技,并將結果發表在2018年12月的《當代生物學》(Current Biology)雜志上。

為躲避天敵,小小的壁虎掌握著多種貼身絕技——被逼入墻角時能飛檐走壁,被咬住尾巴時會壯士斷尾,被追到水邊,則會毫不猶豫沖進水里。

“游”過水塘的壁虎。來源:參考文獻[1]

乍一眼看去,壁虎仿佛是在游泳,但仔細觀察就會發現,它們大半個身子都保持在水面之上,更像是半漂半跑的“凌波微步”。

從慢動作來看,壁虎其實是在水面“凌波微步”。 圖片來源:參考文獻[1]

但這樣的舉動著實令人驚詫,畢竟論個頭,它們不夠小,不能像侏儒壁虎那樣完美利用水面張力;而論腳力,它們也遠遠趕不上蛇怪蜥蜴。按理說,這種壁虎下水多半會沉底,它是如何做到在水面凌波微步的呢?

科學家對壁虎凌波微步的本領進行了詳細的測試和拆解,發現它的這項絕技可謂集齊武林各家門派之所長。

招式拆解之——“連環掌”

蛇怪蜥蜴(Basiliscus plumifrons)能用雙腳在水面上快速奔跑,得益于強有力的后肢和一雙大腳板,它們能以站立的姿態快速地用后腳蹬踏水面,利用在水面形成的空腔提供向上的升力。

壁虎沒有那么強勁有力的后肢,它們采用的是四肢并用,連環出掌拍擊水面,同時頭部微揚,在水面上保持一個小的向前的縱傾角(Trim angle),以提供足夠的升力。

“連環掌”的技術細節(動力學分析)。圖片來源:參考文獻[1]

招式拆解之——“神龍擺尾”

除了用連環掌劃水外,壁虎還會用動靈活的腰身和尾巴扭出一道優美的正弦,配合四肢的動作,像魚類一般擺動游走,為壁虎在水面前進增添推動力。

高速攝像機下,壁虎“神龍擺尾”的慢動作。來源:參考文獻[1]

招式拆解之——“水上漂”

然而,僅僅依靠四肢和尾部出力,仍不足以讓壁虎待在水面之上。科學家們推斷,壁虎皮膚的疏水性應該也在其中起到了重要的作用,它們也會利用水面張力去支撐大部分體重,同時減少水滴落在身上產生的阻力。

為了驗證這一假設,研究者們邀請了壁虎的親戚——蛇怪蜥蜴來一起參加測試。他們準備了一個大水缸,錄制壁虎和蛇怪蜥蜴在水面行走的情況,然后又在水中添加了肥皂,降低了約一半的表面張力,再次觀察它們的表現。

結果發現,肥皂水對蛇怪蜥蜴的表現絲毫沒有影響,而壁虎的速度卻降低到了58%左右,身體也有明顯下沉。也就是說,蛇怪蜥蜴的“水上跑”完全是腿腳功夫過硬,而壁虎則會巧妙借助水面張力來節約體能。

加肥皂前(上)和加肥皂后(下),壁虎“凌波微步”的表現明顯不同。來源:參考文獻[1]

“凌波微步”可以幫助壁虎迅速劃過水面——科學家們通過計算得出,集齊上述招式,壁虎就能以0.6米每秒的速度在水面前進,平均每秒移動10.5個身位。而人類目前的百米自由泳世界記錄保持者——巴西游泳選手西埃羅·費羅,平均每秒只有1.3個身位。

“凌波微步”的分解動作。圖片來源:參考文獻[1]

這些小動物的表現確實令人羨慕不已,那么,人類能不能通過模仿它們,實現在水上奔跑的夢想呢?

一組來自意大利米蘭大學的研究者,就從蛇怪蜥蜴的“水上跑”獲得靈感,特地對這一問題做了詳細地分析和研究。

他們通過計算發現,人類想像蛇怪蜥蜴那樣在水面奔跑,有三種實現的途徑:

1.加快奔跑速度——以超過30米每秒(約為人類在陸地上奔跑速度極限的3倍)的速度在水面奔跑。這顯然很不現實。

2.增大和水面的接觸面積——比如穿上一雙面積為1平方米左右的踩水專用鞋,并以10米每秒速度奔跑。這看起來也難以實現。

3.換個星球——既然我們沒法減少地球引力,那不如找個引力更小的星球去嘗試“水上跑”吧。研究者們通過模擬低重力環境測試得出,當相對重力降低到地球重力的22%時,人類就可以輕松地實現“水上跑”了。而我們的鄰居月球,以及太陽系中木星的4顆衛星,土星的兩顆衛星,冥王星等都是不錯的選擇。不過等等,就算我們能抵達這些星球,好像也沒有可以用來練習水上跑的池塘啊……

研究者們正在通過模擬低重力環境測試“水上跑”的條件。圖片來源:參考文獻[2]

只能說,這項研究更進一步證實了人類在水上行走的難度(順便幫研究者拿到了2013年的搞笑諾貝爾獎物理學獎)。

說到底,水上漂、水上跑、凌波微步等極限水上項目,人類是沒法憑空做到了,不過沒關系,機智的現代人早就想出了各種“作弊”的方法來實現這個美好的心愿。

比如,非牛頓流體作弊法,

水下藏玻璃作弊法,

吊索作弊法,

以及,使用終極作弊武器——腳上噴水裝置。

所以,不用去月球,大家一樣可以玩得很開心嘛!(編輯:kamin)

參考文獻:

  1. Jasmine A. Nirody, Judy Jinn, Thomas Libby, Timothy J. Lee, Ardian Jusufi, David L. Hu, Robert J. Full. Geckos Race Across the Water’s Surface Using Multiple Mechanisms. 2018, Current Biology 28, 1–6
  2. Alberto E. Minetti, Yuri P. Ivanenko, Germana Cappellini, Nadia Dominici, Francesco Lacquaniti. Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity. 2012, Plos One, 7:e37300

作者名片

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The End

發布于2018-12-14, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼。 如在其他平臺看到此文章被盜用,請告訴我們(文章版權保護服務由維權騎士提供)

Yuki小柒

分子營養博士生,果殼網科學編輯

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    Nekout

    一個研究病原微生物的營養學博士,一只忙碌的科研狗,深夜抽空寫科普。

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