快瞧那只壁虎!它会“凌波微步”

x
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

  作者:Yuki、Nekout

  编辑:kamin

  “水面行走”这样的高超本领,在各种武侠小说和影视作品中可以说是屡见不鲜了——各路大侠和超级英雄们天赋异禀,常常藐视地球引力的存在,迈开双脚就能在江河湖海上之上来去奔走,如履平地。

  古往今来,生活在现实世界里的人们,对水面行走这般绝技可谓满怀憧憬,不断有仁人志士挑战“水上漂”和“水上跑”等极限项目。然而尴尬的是,不论大家的入水姿势多有创意,结局似乎永远都只有一个——沉下去。

  

  这次一定能成功——诶?怎么又沉了……

  看来,“笨重”的人类暂时是学不会水面行走了。还是让我们来看看其他动物的表现如何吧!

  其实,对于大部分动物来说,水面行走也是一项不可能完成的任务(所以人类不必太沮丧)。

  不过,仍有一些身怀绝技的高手,能够轻松活跃于水面之上——

  比如水黾的家族成员,大多可以长期生活在水面上——它们的身体非常轻巧,加上修长美腿上无数密集的腿毛刚毛提供的超强疏水性,再借助水的表面张力,就可以自由自在地在水面漂浮移动了。

  

  “水上漂”的行家——水黾。

  一些身形娇小的壁虎也能掌握这种本领,比如南美洲热带雨林中有一种侏儒壁虎,同样能够凭借轻盈的身体和防水的皮肤完全“立足”于水面之上,即使一动不动也不用担心会沉下去。

  

  身长不到5cm的侏儒壁虎能轻松站在水面上

  可以看出,这些体型微小的生物,仅仅依靠天然装备和体型优势,就能泰然若之地在水面行走。但对于体重更大一些的生物来说,水面提供不了足够的表面张力来抵消重力,想保持站立又不沉下去,就得多费些腿力了。

  比如某些蜥蜴、水禽甚至海豚,会借助宽大的脚掌(或鳍)和强大的肌肉力量,通过高速“踩水花”产生额外的动力,让自己的身体持续保持在水面之上。

  

  蛇怪蜥蜴在遇到天敌时,会跳入水塘发足狂奔,让岸边的猎食者目瞪口呆。

  

  在求偶过程中会在水面踩着小碎步跳“踢踏舞”。

  这些动物虽然不能“水上漂”,但掌握“水上跑”的本领也不赖。

  壁虎也有绝学

  而就在最近,科学家们无意间发现,东南亚常见的一种壁虎(Hemidactylus platyurus),竟然也深藏不露,掌握着一项集“水上漂”和“水上跑”于一体的技能。他们仔细研究了壁虎的这项绝技,并将结果发表在2018年12月的《当代生物学》杂志(Current Biology)上。

  为躲避天敌,小小的壁虎掌握着多种贴身绝技——被逼入墙角时能飞檐走壁,被咬住尾巴时会壮士断尾,被追到水边,则会毫不犹豫冲进水里。

  

  “游”过水塘的壁虎。来源:参考文献[1]

  乍一眼看去,壁虎仿佛是在游泳,但仔细观察就会发现,它们大半个身子都保持在水面之上,更像是半漂半跑的“凌波微步”。

  

  从慢动作来看,壁虎其实是在水面“凌波微步”。图片来源:参考文献[1]

  但这样的举动着实令人惊诧,毕竟论个头,它们不够小,不能像侏儒壁虎那样完美利用水面张力;而论脚力,它们也远远赶不上蛇怪蜥蜴。按理说,这种壁虎下水多半会沉底,它是如何做到在水面凌波微步的呢?

  科学家对壁虎凌波微步的本领进行了详细的测试和拆解,发现它的这项绝技可谓集齐武林各家门派之所长。

  招式拆解之——“连环掌”

  蛇怪蜥蜴(Basiliscus plumifrons)能用双脚在水面上快速奔跑,得益于强有力的后肢和一双大脚板,它们能以站立的姿态快速地用后脚蹬踏水面,利用在水面形成的空腔提供向上的升力。

  

  壁虎没有那么强劲有力的后肢,它们采用的是四肢并用,连环出掌拍击水面,同时头部微扬,在水面上保持一个小的向前的纵倾角(Trim angle),以提供足够的升力。

  

  “连环掌”的技术细节(动力学分析)。图片来源:参考文献[1]

  招式拆解之——“神龙摆尾”

  除了用连环掌划水外,壁虎还会用动灵活的腰身和尾巴扭出一道优美的正弦,配合四肢的动作,像鱼类一般摆动游走,为壁虎在水面前进增添推动力

  

  高速摄像机下,壁虎“神龙摆尾”的慢动作。来源:参考文献[1]

  招式拆解之——“水上漂”

  然而,仅仅依靠四肢和尾部出力,仍不足以让壁虎待在水面之上。科学家们推断,壁虎皮肤的疏水性应该也在其中起到了重要的作用,它们也会利用水面张力去支撑大部分体重,同时减少水滴落在身上产生的阻力。

  为了验证这一假设,研究者们邀请了壁虎的亲戚——蛇怪蜥蜴来一起参加测试。他们准备了一个大水缸,录制壁虎和蛇怪蜥蜴在水面行走的情况,然后又在水中添加了肥皂,降低了约一半的表面张力,再次观察它们的表现。

  结果发现,肥皂水对蛇怪蜥蜴的表现丝毫没有影响,而壁虎的速度却降低到了58%左右,身体也有明显下沉。也就是说,蛇怪蜥蜴的“水上跑”完全是腿脚功夫过硬,而壁虎则会巧妙借助水面张力来节约体

  

  

  加肥皂前(上)和加肥皂后(下),壁虎“凌波微步”的表现明显不同。来源:参考文献[1]

  “凌波微步”可以帮助壁虎迅速划过水面——科学家们通过计算得出,集齐上述招式,壁虎就能以0.6米每秒的速度在水面前进,平均每秒移动10.5个身位。而人类目前的百米自由泳世界记录保持者——巴西游泳选手西埃罗·费罗,平均每秒只有1.3个身位。

  

  “凌波微步”的分解动作。图片来源:参考文献[1]

  这些小动物的表现确实令人羡慕不已,那么,人类能不能通过模仿它们,实现在水上奔跑的梦想呢?

  一组来自意大利米兰大学的研究者,就从蛇怪蜥蜴的“水上跑”获得灵感,特地对这一问题做了详细地分析和研究。

  他们通过计算发现,人类想像蛇怪蜥蜴那样在水面奔跑,有三种实现的途径:

  1.加快奔跑速度——以超过30米每秒(约为人类在陆地上奔跑速度极限的3倍)的速度在水面奔跑。这显然很不现实。

  2.增大和水面的接触面积——比如穿上一双面积为1平方米左右的踩水专用鞋,并以10米每秒速度奔跑。这看起来也难以实现。

  3.换个星球——既然我们没法减少地球引力,那不如找个引力更小的星球去尝试“水上跑”吧。研究者们通过模拟低重力环境测试得出,当相对重力降低到地球重力的22%时,人类就可以轻松地实现“水上跑”了。而我们的邻居月球,以及太阳系中木星的4颗卫星,土星的两颗卫星,冥王星等都是不错的选择。不过等等,就算我们能抵达这些星球,好像也没有可以用来练习水上跑的池塘啊……

  

  研究者们正在通过模拟低重力环境测试“水上跑”的条件。图片来源:参考文献[2]

  只能说,这项研究更进一步证实了人类在水上行走的难度(顺便帮研究者拿到了2013年的搞笑诺贝尔奖物理学奖)。

  说到底,水上漂、水上跑、凌波微步等极限水上项目,人类是没法凭空做到了,不过没关系,机智的现代人早就想出了各种“作弊”的方法来实现这个美好的心愿。

  比如,非牛顿流体作弊法,

  

  水下藏玻璃作弊法,

  

  吊索作弊法,

  

  以及,使用终极作弊武器——脚上喷水装置。

  

  所以,不用去月球,大家一样可以玩得很开心嘛!

  作者名片

  

  

  排版:大庆

  题图来源:参考文献[1]

  参考文献:

  [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

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。

跟贴 跟贴 3 参与 3
© 1997-2018 网易公司版权所有 About NetEase | 公司简介 | 联系方法 | 招聘信息 | 客户服务 | 隐私政策 | 广告服务 | 网站地图 | 意见反馈 | 不良信息举报

我是科学家

我是科学家,我来做科普

头像

我是科学家

我是科学家,我来做科普

2225

篇文章

125017

人关注

列表加载中...
请登录后再关注
x

用户登录

网易通行证/邮箱用户可以直接登录:
忘记密码