這種好吃的入侵生物死了還能遊,甚至能逆流而上,物理學家們聞之大喜


撰文 七君

人死了還能繼續走的話,先不說《釜山行》和《行屍走肉》會不會變成紀錄片,至少打工人的永動機就一步達成了。那麼,魚死了還能遊麼?

實際上,是可以的。在十來年前,哈佛大學和麻省理工學院的研究者首次發現,有一種魚在死掉後還可以像活著的時候那樣繼續遊動,甚至可以逆流而上。


這是一條死掉的虹鱒(Oncorhynchus mykiss)在遊。圖片來源:Lauder, Harvard

這種魚就是虹鱒(Oncorhynchus mykiss)。

虹鱒是一種很常見的水產,它的肉和同科(鮭科)的大西洋鮭(老百姓理解的“三文魚”)類似,因此曾被拿來冒充大西洋鮭,在我國曾引發巨大爭議。


因為具有經濟價值,在被引入了許多國家後,虹鱒不出意料地變成了世界百大外來入侵種。


虹鱒(上)和大西洋鮭(下)。圖片來源:wikipedia

鱒魚死了也能逆流而上,這聽起來真的很嚇人,不懂流體力學的人。死掉的虹鱒繼續遊動並沒有違反物理規律,相反,它正是依靠物理學才能變成遊動的殭屍。

這一切都要從一條叫做卡門渦的街開始。

當水或氣體經過一根棒槌的時候,棒槌後方就會出現一連串左右交替的渦旋,這就是卡門渦街(Kármán vortex street)。


卡門渦街。圖片來源:wikipedia

臨近的兩個渦旋還會相互幫忙砍一刀,也就是發生相長干涉。這樣的結果就是,在臨近的兩個渦旋之間還有一股朝著棒槌方向的逆行水流,把附近的水流往棒槌那兒擼。

那麼,逆行水流到何處終止呢?那就是卡門渦街的末端,也就是棒槌直徑2倍處,這裡就是棒槌產生的抽吸區(suction region)的邊界。

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這個能要人命的區域我們之前在介紹野外游泳禁區時也講過(點我檢視),小學生千萬別嘗試。但是和人類不同,虹鱒特別喜歡逛卡門渦街,喜歡追著抽吸區跑。


哈佛大學生物工程學家 James Liao 和同事發現,在前方出現卡門渦街時,虹鱒可以在抽吸區附近不費力地左右節奏搖擺,這種搖擺幅度很大,像扭秧歌的大媽,在水中不停地畫8。


虹鱒在卡門渦街後的風騷走位此前從來沒有在其他魚類中被發現,是獨一無二的,因此被取名為卡門步態(Kármán gait)。Liao 和同事把相關研究發表在了2003年的《科學》以及其他學術期刊上。

更詭異的是,哪怕死掉的鱒魚也可以在卡門渦街後游泳,甚至能逆流而上。死掉的鱒魚在卡門渦街裡的振動頻率和它活著的時候一樣,而且動態和活魚沒什麼不同。


死掉的虹鱒在卡門渦街後遊動。

死魚還能死亡蹦迪,它們的“槌”死掙扎顯然不是生物驅動的,而是流體驅動的。為了理解這種奇特的現象,Liao 在虹鱒的肌肉裡安插了電極,用來測量肌肉電流,並據此推算它們遊動時所花的能量。

Liao 發現,實際上在卡門渦街後面,逆流而上比在靜水中躺平要容易得多。“逆水行舟,不進則退”的老話在虹鱒身上是謬論。

他指出,在混沌的漩渦中游泳的虹鱒只用了一小丟能量,和順流而下時沒差多少,而且只動用了一小啾肌肉,無需大腦參與,因此死掉的鱒魚也能猥瑣地遊起來,甚至能逆流而上。

顯然,卡門渦街能驅動虹鱒,給鱒魚搓出進擊的“魔法球”。這也能解釋,不管活著還是死了,虹鱒在卡門渦街後面的扭動頻率,以及頭的擺角都是一樣一樣的。


這條死掉的虹鱒雖然也能利用卡門渦街,但是會被抽吸區吸住。圖片來源:Lauder, Harvard

當然了,活魚和死魚也不是完全沒有區別:死魚沒有辦法控制自己的運動,因此有時死鱒魚在抽吸區內會撞上棒槌,然後彈回下游。另外,只有剛剛去世的虹鱒才能被卡門渦旋驅動,愉快地遊起來,已經屍僵成棒槌的就不行了。

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因為在卡門渦街裡游泳特別省力,虹鱒還會主動尋找卡門渦街,比如流水中的大石頭後面。垂釣的人都知道,鱒魚喜歡躲在石頭後面“歇腳”,這個現象背後就是這個道理。

為了驗證這一點,Liao 還在加拿大的溪流裡進行實地觀察。他在溪流裡放上棒槌,觀察到鱒魚會聚集到棒槌後方,展現出和實驗室裡類似的動態。


研究者們發現,虹鱒喜歡利用卡門渦旋,其圖片來源:fish code studios

當然了,卡門渦街也能解釋為什麼魚會聚整合群,因為每條魚都在利用其他魚產生的卡門渦街的輸出輔助。Liao 發現,兩條並排遊動的魚產生的湍流和棒槌後面的卡門渦街類似,因此會吸引其他魚兒過來搭便車。

這一點對一些海洋哺乳動物也適用。海豚和鯨喜歡追著人類的輪船跑,很可能也是在利用人類輪船帶來的卡門“魔法球”,可不是為了交個朋友。


其實上面都不算最驚人的。Liao 和同事在2006年發表在《流體力學期刊》(Journal of Fluid Mechanics)上的一篇論文指出,捕鯨人曾觀察到死掉的鯨也能在捕鯨船後以每小時1海里的速度“遊”很長時間。這恐怕也是卡門渦街用未冷的屍首召喚出的“死亡尾行”。


但是對於這些哈佛大學和麻省理工學院的研究者們來說,卡門渦街和鱒魚的這種死亡對線不僅不嚇人,甚至有望創造出“不插電”的能量捕捉裝置,將大氣和海洋中原本礙事兒的湍流“馴化”成環保能源。

總之,這種“殭屍”帶給人類的不是恐懼,而是希望。

是美食,也是新能源的工程屍。


封面來源:wikimedia

參考資料:

https://docs.qq.com/doc/DVGlWQWNia2thaHVn

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