快瞧那只壁虎!它会“凌波微步”

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快瞧那只壁虎!它会“凌波微步”

以下文章来源于我是科学家 iScientist ,作者 Yuki、Nekout

” 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能。

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!

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

文章来源:本文经授权转载自公众号 ” 我是科学家 iScientist”,转载请联系原账号。

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