邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[趣科学]跃龙门的小鱼:没水了,跃不动了

文_Vivian

2020-08/总第293期

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人们找到了真正能跳龙门的鱼!但却是个坏消息⋯⋯

在夏威夷,每天都能看到彩虹和云雾缭绕的壮观山景,以及众多大大小小从悬崖上倾泻而下的瀑布。如果你有兴趣登上瀑布的顶部,你会在水中发现身长不到10厘米的刺鳍鱼在清澈的水中游荡。这种鱼,当地人亲昵地称呼它们为O'opu。这样渺小的鱼儿,却是依靠自己强大的力量,冲破几十米甚至上百米的瀑布攀爬而至的。

它们简直就是传说中会“跳龙门”的鱼啊!


它们是怎么往上“跳”的呢?

夏威夷岛的刺鳍鱼的攀爬技术非常高超。在幼鱼返回瀑布之前,它们会在入海口逗留一段时间,更换应对激流的装备——口部和腹部吸盘状的鳍片。口部独特的吸盘是幼虫颅部变态发育而成的,在36小时内,原本小巧的下唇会变成1个大的吸盘。而腹部吸盘则是由腹鳍融合而成。

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刺鳍鱼的嘴部、胸鳍以及腹部吸盘(图片来源:Rachel Christy与Takashi Maie)


一旦准备就绪,它们就开始向瀑布进发,借助口部和腹部吸盘与岩石之间的黏附吸力,使身体牢牢地吸在瀑布间的岩石表面。在吸附时,吸盘状的鳍片会排除掉多余的水,从小碗状变平,密封于湿润的岩石表面。

在攀爬过程中,需要多强的吸力,才能在重力和水流冲力作用下而不会跌落呢?这与岩石的倾斜角度有关。当倾斜角度为60°时,吸力达到体重的1.25倍即可;而倾斜角为90°时,吸力要达到体重的2.02倍。此外,刺鳍鱼需要具备持续性或间歇性维持黏附吸力,只有如此,它们才能完成逆瀑布之旅。

生活在夏威夷的攀爬瀑布刺鳍鱼有3种,分别为Awaous guamensis、Lentipes concolor和Sicyopterus stimpsoni。有趣的是,虽然它们同样生活在夏威夷,攀爬同样的瀑布,但却采取了不同的攀爬方式。

其中,Awaous guamensis和Lentipes concolor两种刺鳍鱼是力量爆发型攀爬者,它们采用快速间歇性地爆发前进。它们开始攀爬时,胸鳍快速内收,然后向上移动,在用腹部吸盘重新附着到岩石之前,进行几次高振幅的快速循环,一鼓作气“鲤鱼打挺”一般向上窜,能够窜出12个自己那么长的距离。

而Sicyopterus stimpsoni则通常被描述为缓步型攀爬者,采用连续的寸步而上方式。它们通过交替地将腹部吸盘和另一个口部吸盘(其他物种没有)吸附在岩石上,缓慢地爬上瀑布,虽然一次只能前进一点点,但是维持时间却比较长。

虽然2种攀爬方式在细节方面明显不同,但是推进速度却是差不多的。


为什么刺鳍鱼要跳龙门?

生物功能进化的多样性,与所处自然环境的生理需求息息相关。一些极端环境会对其中的生物提出更特别且严峻的生理要求。

夏威夷经常遭遇严酷的自然灾害,从火山活动到飓风造访,都会使岛上的水流发生强烈的扰动,包括小溪和瀑布,对于体型微小的刺鳍鱼来说甚是不太平。为了生存繁衍,它们采用了洄游的生活模式,以降低自然灾难来临时发生灭绝的风险。

它们在高海拔的淡水溪流中孵化,然后被水流冲到下游的海洋中度过幼虫时期。在那里,它们充分利用海水中的营养物质喂养自己,直到3〜6个月后,它们会向淡水小溪迁移,并在到达瀑布顶部栖息地时产卵。

然而,在它们克服水流的冲击进入上游区域的过程中,从来都是不容易的。在接近瀑布时,它们会从水中来到空气中,这种在2种物理区别如此之大的环境介质间的转变,身体支撑和运动模式都有巨大区别。

例如,在它们熟悉的水环境中,浮力抵消了部分重力,而在空气中,由于浮力消失,它们需要更多的能量克服身体的重力。此外,当他们从水中出来,逆瀑布而上时,它们将运动模式从游泳改为了攀爬。因此,为了成功地攀上瀑布产卵,它们需要有效的策略以克服重力,以及自上而下的水流产生的冲力,而如此强大的攀爬能力,正是这种严苛的自然环境选择的结果。

自然界环境的差异,也让不同能力的动物有了各自擅长的技能。在地质活动丰富、气候变化多端的夏威夷,即使都是瀑布,下面的“底子”也是有差别的。这些瀑布的基底,可能会影响它们的攀爬性能。在瀑布水流的冲击下,岩石表面是非常光滑的,而新近形成的火山岩石则比较粗糙。这2种不同的地形,恰好就对应了前面说到的2种攀爬策略——寸步型的更擅长光滑的岩石,而爆发型的则擅长粗糙的火山岩。

寸步型攀爬者依赖于吸盘对岩石的吸力,粗糙表面会削弱吸盘对表面的吸附能力,进而减弱攀爬能力。相反,爆发型攀爬者在攀爬时会用胸鳍推开基底,因此粗糙表面能为胸鳍提供更好的支点。

曾有研究者对3种攀爬刺鳍鱼在不同粗糙程度表面的攀爬行为进行了研究,他们发现爆发型的Awaous guamensis在粗糙表面攀爬的速度是光滑表面速度的10倍,而在光滑表面上,它的速度反而低于寸步型刺鳍鱼。

虽然刺鳍鱼的攀爬性能在自然演化过程中变得如此不同,但是却都成功地完成了适应自然的任务。可谓殊途同归、异曲同工了。


夏威夷的山水,对它们很重要

夏威夷人给坚韧强悍的攀爬者起了一个很可爱的名字——O'opu。O'opu在夏威夷具有重要的历史和文化意义。此物种既是夏威夷原住民的食物来源,也是他们宗教仪式的一部分。一共有5种O'opu生活在夏威夷,其中4种是夏威夷独有的物种,在世界上的任何其他地方都未曾发现过。O'opu是唯一原产于夏威夷的淡水鱼,与其他自然奇观类似,它们都与山脉影响降雨模式的方式有关。

首先,瀑布需要充沛的水才会流动,而刺鳍鱼的攀爬,也非常依赖湿润的岩石表面,所以水流的特性对它们攀爬瀑布是很重要的因素。理想的河流条件,包括长期稳定流动的水。以前的观察表明,在夏威夷的各个溪流之中,由暴雨引发的洪流是对O'opu幼鱼发出的重要信号,通知这些游弋于海洋沿岸的生灵们可以向上游迁移的时机已到。

夏威夷群岛上的大部分降雨是地形雨。以夏威夷为例,由海上吹来的携带水汽的风,被岛上的山提升至高处,海拔降低、温度下降,湿润的水汽便形成了降雨。比较而言,这些岛屿周围的海域年平均降雨量为25英寸,而岛屿上的山脉,则将降雨量提高了16倍。降雨落在山顶上,向O'opu攀爬的溪流和瀑布提供水。从古至今,岛上的地形降水过程是可靠而连续的,昼夜更迭,冬夏交替,年复一年。

不过,由于人类引起的气候变化,O'opu都可能处于危险之中。夏威夷人口的增加正在威胁O'opu的水流栖息地——而为了保护它们继续生存下去,需要对这一问题进行管理和研究。在某些情况下,人类为了灌溉农作物或保护财产不受洪水影响,会对河流进行改道或疏导,而这两种行为都减少了河流的流量。

此外,夏威夷的降雨量在过去30年里全面下降,相关研究表明,热带岛屿地形降水赖以存在的复杂云层过程对风速很敏感,而过去30年降雨量的减少,与信风强度的减弱有关。全球变暖不仅让两极融化、海平面升高,也将显著改变洋流,牵一发动全身。

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地形云(图片来源:rainfall.geography.hawaii.edu)


此外,大气中称为气溶胶的微小颗粒也能影响地形降水。来自自然或人类的气溶胶在大气中无处不在,其对大气中云层的影响,是未来气候预测中最大的不确定因素之一。

小小的刺鳍鱼,在夏威夷风起云涌十几万年的时间范围内,演化出了惊人的爬瀑布的能力——攀爬瀑布这种技能不是一蹴而就的。或许,它们也会不断适应环境的改变,毕竟夏威夷当初也只是光溜溜、寸草不生的火山石。

然而问题在于,我们人类对自然带来的变化,太快、太迅速、太无法预测了。地球气候的变化会影响大气、洋流,改变驱动降雨的过程,影响水流的强度,然后再影响到河流物种及其栖息地,最后是那些顺着瀑布往上攀爬的小鱼。

或许,所有这些转变,都需要我们的密切关注。自然界的所有过程都是息息相关的,牵一发而动全身。从好的角度想,对自然哪怕微小的一点改善,也可能会收获硕大的善果,现在开始还不晚。我们也愿意继续陪伴这些神奇的动物,或许它们身上也有能启发我们发明创造的关键呢!■


刺鳍鱼的嘴部、胸鳍以及腹部吸盘(图片来源:Rachel Christy与Takashi Maie)

地形云(图片来源:rainfall.geography.hawaii.edu)

本栏目文章转自果壳网(www.guokr.com),由果壳网和作者授权转载。


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