鱼群游泳可节省大量能量

鱼群最多可容纳数千条鱼。这是一群鲭鱼，一种绿色和银色的小鱼，在加利福尼亚州卡塔利娜岛的船岩周围游动

鱼群经常成群游动。它们迷人的动作看起来像是经过精心设计、排练过的舞蹈，因为这些鱼群在完美的时机下弯曲和折断。但实际上并没有编舞者。每条鱼都自己导航。每条鱼如何以及为什么这样做，正是它们的群游让科学家如此困惑的原因。现在科学家认为他们已经找到了为什么群游如此普遍的线索。这可以节省鱼的能量——大量的能量。

数百至数千条鱼可以一起成群游动。有时它们游动缓慢而优雅。有时它们会快速地朝一个方向游动，然后又朝另一个方向游动。

一项新研究比较了鱼在游动时消耗的能量。研究发现，与单独游动相比，成群游动的鱼消耗的能量减少了一半以上。

“测量动物移动所耗费的整个想法非常重要，”乔治·劳德说。他是马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的鱼类生物学家，也是这项新研究的作者。他指出，许多生理学家多年来一直在研究这个问题。“我认为这是第一篇真正全面测量的论文。”

他和同样来自哈佛大学的张扬帆于 1 月 19 日在eLife上分享了他们的新发现。

水下冲刺

劳德和张教授对斑马鱼（Devario aequipinnatus）进行了研究，这种小鱼喜欢游泳。 

有时，团队会一次将八条鱼放入形状有点像赛道的水箱中。其他时候，他们只放入一条鱼。斑马鱼不会像赛车一样绕着水箱转圈。相反，它们会在一个地方游动，就像跑步机上的跑步者一样，而马达会推动水箱中的水流动，形成水流。

当鱼游动时，一种称为呼吸计（Res-pur-AH-meh-tur）的特殊装置会测量它们消耗的氧气量。氧气有助于为肌肉提供能量。例如，短跑的人会消耗大量氧气。之后，他们通常需要几分钟来恢复和喘口气。在这里，研究人员使用氧气作为鱼在原地游泳所消耗能量的衡量标准。

为了让它们游得更快——就像短跑运动员一样——研究人员增加了循环水流的速度。当他们放慢水流速度时，鱼的速度也会减慢。

群游的鱼消耗的氧气比单独游动时少。而且，它们从冲刺中恢复所需的时间也更少。换句话说，它们在群游后更容易“喘口气”。

总的来说，研究人员重复了这个实验五次。 

“这是对一群游动的鱼的能量的一次精彩而细致的观察，”大卫·考夫林说。他是宾夕法尼亚州切斯特市威德纳大学的鱼类生物学家。

弗兰克·菲什说，通过群居，鱼可以节省能量用于其他重要的事情。他在宾夕法尼亚州西切斯特大学工作，研究动物的运动动力学。例如，如果鱼还小，它们可以将这些能量用于生长。成年后，它们可以利用这些能量繁殖或躲避捕食者。 

学校内部

但菲什指出，“这并不是全部。”从新数据来看，“我们不知道学校内部到底发生了什么。”

研究人员仍然缺乏确凿的证据来解释为什么群游有助于鱼类节省能量。不过，他们确实有一些想法。 

鱼尾在水面上左右摆动，使鱼向前游动。这导致鱼身后的水旋转。在一项研究中，菲什观察到三条鱼一起游动。当一条鱼游在其他鱼之间和后面时，后面的鱼会节省能量。但菲什指出，在大鱼群中，理解这些运动中消耗的能量会变得更加复杂。 

如果你把一条鱼放在鱼群中间，就会有鱼在它的左右、上上下下、前后游动。他说，这会产生无数的互动。而所有尾巴的拍打意味着水流会无休止地旋转，每一条都会与另一条相撞。

菲什说，这些水旋涡可以让成群的鱼更容易游动。这甚至可能让它们能够更轻松地呼吸。但这一切尚未得到证实。

“既然我们知道了这有很大的好处，”考夫林说。“让我们从生物力学的角度——从流体动力学的角度——弄清楚它们的相互作用对它们有何帮助。”

未来的鱼类机器人

张教授表示，这项新研究可以帮助工程师制造鱼机器人。他说：“我们制造的任何东西都无法像鱼一样在水中优雅而轻松地移动。”他们可以制造 20 个小型群鱼机器人来节省能源，而不是制造一个大型鱼机器人。这些机器人可以帮助统计海里的所有鱼类或发现污染源。制造模仿生物的机器被称为仿生学。

研究结果也可能有助于研究人员保护真正的鱼类。大多数鱼类从环境中获取热量。因此，它们的体温与周围的水温相同。随着水温升高（例如气候变化），鱼类需要更多的能量才能游动和生存。通过了解鱼类运动的能量成本，科学家可以预测气候变化将如何影响它们的生活，考夫林说。 

考夫林说：“面对气候变化，我们确实想了解鱼类的能量需求。”