可能正是因为迈阿密的科学家刷新了旗鱼的最高速度,导致加在旗鱼头上的荣誉提前易主了,因为当马萨诸塞大学的大型中上层鱼类研究中心(该中心的另一个名称“金枪鱼实验室”更加出名)的研究人员了解到新的旗鱼速度记录时,他们想到了一个问题:如果所谓的旗鱼速度记录比它可能达到的真实速度慢得多,那么会不会还有其他记录存在问题呢?
多年来,该实验室的研究人员一直在观察重量可达1 500磅的大西洋蓝鳍金枪鱼,他们知道这种鱼的速度非常快。他们想,蓝鳍金枪鱼说不定可以把速度提到每小时45英里以上。每小时45英里通常被认为蓝鳍金枪鱼能达到的最高速且被广泛引用,但似乎与人们之前认定的旗鱼能够达到的最高速一样不可信。
海洋学家莫莉·卢特卡瓦奇和她在金枪鱼实验室的同事们采用了与迈阿密同行相似的方法,给一群蓝鳍金枪鱼贴上了微型卫星标签——这些标签通常被用来追踪迁徙动物的活动。根据设计,它们会在一个月后脱离目标,浮到水面,然后发出信号以便回收——回收工作通常由合作的渔民完成。
但一个星期后,一条800磅重的蓝鳍金枪鱼身上的标签过早地脱落了。研究人员把这枚标签带回金枪鱼实验室,眼前的情景让他们惊呆了。原来,那条鱼游得太快,以至于标签被撕成了碎片。
鱼要游多快才能撕碎标签呢?下载的数据显示,蓝鳍金枪鱼的最高时速达到了144英里。
这个速度比我们一直认为的鱼的最快速度快一倍多。
就像猎豹一样,蓝鳍金枪鱼的最高速度也不能保持太久。研究人员估计,创下纪录的那条金枪鱼只是在短短几秒钟内保持了那么高的速度。但值得注意的是,金枪鱼在密度约为空气的800倍的环境中达到了那么高的速度。
还记得航空工程界对游隼的飞行是多么不感兴趣吗?面对新发现的水下速度大师,航海界是否会做出同样的冷淡反应,现在还不得而知。但值得注意的是,在人们普遍认为旗鱼是速度最快的水下动物的同时,并没有多少人对旗鱼到底能游多快的问题感兴趣。直到2013年,人们才开始了真正意义上的旗鱼水动力学研究。[45]
但是,蓝鳍金枪鱼的情况可能不同。首先,对于它们是否有资格享有超级名声的问题,我们从一开始就掌握了更多的科学知识。其次,它们是金枪鱼——每个人都知道金枪鱼。我们经常吃金枪鱼罐头、芝麻脆皮金枪鱼、烤金枪鱼或金枪鱼辣味寿司卷。可以说,金枪鱼在全世界的水产业中占据了极其重要的地位。[46]
目前,它们也陷入了困境。大西洋蓝鳍金枪鱼被世界自然保护联盟列为濒危物种。生物多样性中心已经请求美国联邦政府将蓝鳍金枪鱼纳入《濒危物种法》保护的名单中,尽管到目前为止还没有得到回应。
当物种处于经济价值和种群数量下降的交叉点时,经常会引起大量研究人员的关注。在有人认为蓝鳍金枪鱼可能是速度最快的海洋生物之前,蓝鳍金枪鱼就已经引起了人们的关注。例如,近年来,人们对地中海蓝鳍金枪鱼的栖息地[47]、不同海洋区域的蓝鳍金枪鱼在DNA上的差异[48],以及金枪鱼跨海洋迁移、聚集的行为[49]进行了研究。
另外,美国海军开发出了无论是外表还是潜行方式都与金枪鱼十分相似的机器人——幽灵泳者。这款自动水下机器人是一项名为“无声尼莫”的秘密研发计划的子项目,在很大程度上受到了麻省理工学院金枪鱼机器人项目的启发。麻省理工的工程师放弃了200多年来潜艇领域的传统思想,转而制造了一种可以像鱼一样运动的水下机器人。最后,他们开发出了比传统无人潜艇更具机动性、耗能更少的潜水器。海军很快就意识到,这种潜水器可以更好地融入海洋环境。
虽然美国军方还没有正式宣布,但无人潜航器幽灵泳者似乎可以取代备受批评的冷战时期行动计划——美国海军海洋哺乳动物秘密计划。该计划利用海豚和海狮来搜寻地雷,监视水下潜入者,找回丢失的设备,[50]并为旨在解决人类疾病和健康问题的转化研究提供所需动物[51]。最后一个目的引起了动物权益保护人士的不满。他们认为圈养动物研究必须直接为保护被研究动物服务,因此希望推动关闭海军的这个项目。[52]
用动物取代机器人是一大难题:至少目前来看,幽灵泳者的速度比不上海豚和海狮,耐力和潜水能力也比不上海军训练的那些海洋哺乳动物。这种鱼形机器人可以达到并在较短时间里保持每小时17英里的速度,或者长时间保持每小时3英里的速度;而宽吻海豚的时速可超过22英里,长时间的巡航速度可达每小时7英里。[53]
但是,两者都远达不到蓝鳍金枪鱼的突进速度,这在战术环境中可能具有重要意义。考虑到这一点,为了让机械金枪鱼更加逼真,美国海军是否会研究让蓝鳍金枪鱼获得这么快速度的自然适应性呢?他们肯定会这样干的。
大自然母亲可以设计出突进速度为每小时144英里的动物,但它们能否成功地制造出可以与之媲美的机械动物呢?恐怕不能。
毫无疑问,我们可以通过观察动物在自然界的进化过程,大大改进我们的技术,以解决我们面临的诸多难题。但我们做得越多,就越清楚一个事实:大自然始终走在我们的前面。
[1] 研究人员记录了367次狩猎的数据。根据皇家兽医学院在2016年和2017年资助的系列研究项目“猎豹狩猎动力学与能量学”的数据,猎豹的奔跑速度从未超过每小时58英里,平均每次奔跑173米。
[2] 英国广播公司地球频道在2011年为《琼斯妈妈》杂志拍摄的《猎豹:大自然对速度的需要》中很好地解释了这一点。
[3] 兽医生理学家和田直(Naomi Wade)的团队在论文《猎豹骨骼肌肉中肌纤维的分布》中指出,猎豹的运动方式与后轮驱动汽车一样,后肢产生推力,前肢提供转向与急停所需的力。该论文发表在2013年《哺乳动物生物学》杂志上。
[4] 2012年,科学记者马特·巴多在为英国广播公司《自然世界》撰写的《猎豹速度之谜被解开了》一文中解释了和田的研究。
[5] 在《从一般性等比法则可以看出最大的动物速度不是最快的原因》一文中,研究人员揭示了导致动物运动速度有上限的基本限制因素,深入分析了速度的本质。他们的研究成果于2017年发表在《自然生态与进化》杂志上。
[6] 2017年,科学记者海伦·布里格斯在英国广播公司新闻里解释了“为什么猎豹是短跑之王”。
[7] 甜区(sweet spot):球拍或球棒的最佳击球点,这里代指体型的平衡点,达到该平衡的动物可以运动得最高效。——编者注
[8] 2017年,记者锡德·珀金斯在《科学》杂志上说:“为了避开这些限制,希尔特和同事查看了之前收集的各种生物的数据,包括变温动物(即所谓的冷血动物)和恒温动物。”
[9] 从研究人员制作的图表(上面居然标有动物的剪影)看,这些曲线比较相似。
[10] 其中的科学,怎么说呢,就像菲尔·普莱特和丹尼尔·哈伯德在2015年的《石板杂志》杂志上所说的那样,很糟糕。但“性感书呆子”杰夫·高布伦依旧迷人,而且恐龙会吃人,这才是最重要的。
[11] 但是,伶盗龙的奔跑速度达到每小时35英里!
[12] “弗兰格尔岛上的猛犸有过多缺陷基因缺陷”项目的研究人员称,他们发现了基因缺失过多,影响基因序列的缺失所占比例升高,以及截断、不完整和无功能遗传蛋白产品过多等问题,并且所有这些问题都不利于种群的长期生存。这项成果发表在2017年的《美国科学公共图书馆》(遗传学卷)杂志上。
[13] 1996年,当《科学通讯》发表《皮肤移植和猎豹》一文时,许多人并不相信,但进一步的实验表明,遗传变异水平较低的其他动物种群也具有显著的组织相容性。
[14] 奥布赖恩作为作者之一发表在2015年《基因组生物学》上的论文《非洲猎豹的基因组遗产》称,我们已知的其他所有哺乳动物都相差很远。
[15] 但是,德国莱布尼茨动物园和野生动物研究所的研究人员称,至少纳米比亚一群自由放养的猎豹的免疫系统似乎没有受到影响。他们的研究发表在2011年的《分子生物学与进化》杂志上。
[16] 猎豹确实有可能从某一次种群瓶颈中存活下来,但即使按照最乐观的估计,它们也不可能遭遇两次种群瓶颈却都幸免于难。
[17] 通过《生物多样性数据期刊》2017年发表的濒危野生动物信托基金肉食动物保护项目“来自9头在南非林波波省塔巴津比地区自由活动的猎豹的追踪数据”,以及其他类似研究,可以一窥濒危物种生老病死等令人沮丧的状况。
[18] 根据2017年发表在《生物多样性与保护》杂志上的文章《极度濒危的伊朗亚洲猎豹:近期分布情况和保护状况》,这些亚洲猎豹在伊朗面临着更大的灭绝风险。
[19] 单从体型这个角度看,叉角羚似乎不应该跑得那么快、那么远。正是因为这个问题,1991年《自然》发表的一项研究断言:“它们的表现得益于它们消耗和处理氧气的超强能力。”研究报告的题目是“叉角羚奔跑中蕴藏的力能学”。
[20] 咬文嚼字的话,“buffalo”(水牛)这个词来源于希腊语“boubalos”,它既指野牛也指羚羊。
[21] 芝加哥大学海洋生物实验室负责人戴维·雷姆森2016年在《动物之谜》杂志上发表了一篇题为《学名对生物信息学的价值和限制》的论文,认为名称和分类之间的关系保持一致,“在生物信息学利用学名对相关的生物多样性信息进行初步锚定以及随后的检索与集成时会产生限制作用”。
[22] 2013年,科学作家布赖恩·斯威泰克发表在《国家地理》网站上的《伪猎豹是叉角羚需要速度的原因吗?》一文,解释了叉角羚是如何在进化的军备竞赛中获胜,然后又拒绝“裁军”的。
[23] 拜尔斯在《叉角羚:社会适应和昔日肉食动物的幽灵》一书中称,它们其实是在逃避肉食动物留在它们心头的阴影。
[24] 另外,别忘了鬣狗有像猎豹一样的四肢和巨大下颌。正如拜尔斯在1996年对《纽约时报》记者卡罗尔·凯瑟克·尹所说的那样:“我认为今天的肉食动物都没有昔日的长腿鬣狗那样凶猛。”
[25] 科学家推断导致人类先祖“汤恩幼儿”死亡的凶手是一只老鹰,这个推理过程绝对是一个引人入胜的故事。2016年,法新社旗下南非通讯社的里安·沃尔玛朗斯报道了这个故事,题目是《“汤恩幼儿”的死亡之谜终于得解》。
[26] 1993年,《泰晤士报》的记者纳塔莉·安吉尔在《无与伦比的动物运动员》一文中称,叉角羚是“一种山羊大小的有蹄类动物,足以跻身全世界最伟大在世运动员的行列”。
[27] 这一定是世界上最有活力的生物实验室之一。
[28] 我们可能给它起了一个不合实际的名字,事实上,美洲大蠊并非源于美国,而是在17世纪初从非洲乘船来到了新大陆。因此,蟑螂其实是一个小小的提醒,让人们不要忘记美国是建立在卑劣行径基础之上的。蟑螂是美国蓄奴制度的一个残留,在我看来,它们就是一种象征,时刻提醒我这些残留至今仍渗透在我出生和生活的这个国家的每个角落。
[29] 几乎任何人都可以做这样的实验,而这也是我的爱好之一。佛罗里达大学在1999年出版的《昆虫纪录大全》中描述了这些方法。
[30] 此外,它们能承受人行道表面40~60摄氏度的温度。如果我光着脚在那么热的人行道上跑步,我可能也会跑得很快。2014年,《美国实验生物学联合会会志》上发表了一篇题为《加利福尼亚海岸螨的超凡运动能力》的文章,对这种蜱螨的特点进行了介绍。
[31] 从技术角度看,它实际上可能是在步行,而不是跑。毕竟奔跑时所有的脚会同时离开地面。就像竞走选手一次只能有一只脚离开地面一样,螨虫在快速移动时,8只脚中从来不会有超过4只脚同时离地。
[32] 在《让纳米颗粒发挥作用:自驱动无机微米和纳米引擎》一文(选自《各向异性和形状选择性的纳米材料》)中,凯特琳·库珀史密斯称,“这些机器的灵感来自自然在独立驱动的分子过程中对化学梯度和细胞轨迹的巧妙运用”。
[33] “蜱螨非凡的奔跑与转向能力”这项研究中的视频观看之后令人兴奋不已。这项研究发表在2016年的《实验生物学杂志》上。
[34] 对于那些想把自己心中的英雄彻底毁灭的人来说,心理学家罗宾·罗森伯格的《蝙蝠侠怎么了?未经授权的蝙蝠侠临床观察》是一本很有趣的书。
[35] 汤姆·哈波尔发表在2015年《航空航天杂志》上的文章《与游隼一起坠落》介绍了肯·富兰克林的游隼飞行研究,值得一读。
[36] 1盎司= 28.35克。——编者注
[37] 哈波尔称,F–22猛禽战斗机所能承受的极限是27个负重力加速度。
[38] 仅凭野外观察可能永远不会有这样的发现。《游隼俯冲飞行的空气动力学》的作者称,游隼在自由飞行时,“这么高的速度会阻碍它们对速度、加速度等飞行参数以及体型和翅膀轮廓的精确判断”。这项研究发表在2014年的《美国科学公共图书馆》(综合卷)上。
[39] 是的,那起事故比基蒂霍克的首次动力飞行早了7年。“如果说106年前莱特兄弟的成就有什么值得注意的地方,”杰森·保罗于2009年在《连线》杂志上指出,“那是因为在他们之前已经有好几个人通过某种设备成功飞离地面,包括莱特兄弟自己。莱特兄弟所做的就是把他们的努力加以汇总,使飞机能够飞上天空。”
[40] 这是欧盟PEL-SKIN项目的一部分,旨在发现可以改善飞机空气动力学性能的机翼涂层。2017年发表在Meccanica杂志上的文章《PELskin项目——第五部分:使用自激活展开襟翼在高迎角下控制机翼周围的气流》对其进行了描述。
[41] 尽管这个数字在前互联网时代也很普遍,但自从网站开始分享并相互引用之后,它的最初来源似乎就不再重要了。
[42] 例如,2013年发表在《美国科学公共图书馆》(综合卷)上的《旗鱼和剑鱼以巡航速度滑行时的水动力特征》。
[43] 一个可能的来源是阿瑟·厄普菲尔德的《剑鱼礁之谜》,这是1939年出版的一个虚构故事。书中主人公、“瘦猴”检票员拿破仑·波拿巴站在钓竿后面,有鱼儿正在飞快地拉扯鱼线。“卷线器上本来卷有900码的鱼线,”厄普菲尔德写道,“现在只有700码了。3秒钟后只剩下600码了。”在那本书中,瘦猴的伙伴把他比作赞恩·格雷。
[44] 2015年,海洋学家莫莉·卢特卡瓦奇的大型远洋研究中心在Medium杂志上发表的报告称:“客观地看”,旗鱼的1.79 G加速度可以与布加迪威龙跑车的1.55 G相媲美,后者在2.4秒内就能完成从0到60英里每小时的加速(旗鱼的速度提升得更快!)。
[45] 不过,那项研究确实很有意思。首尔国立大学的一群机械工程师在中国南海发现了一条7尺长的旗鱼。他们把这条鱼杀死、冷冻并制作成标本,然后放进风洞。随后,他们又对鱼的鼻子做了几个整形手术,以了解鱼嘴的大小对阻力是否有影响。根据2013年发表在《美国科学公共图书馆》(综合卷)上的《旗鱼和剑鱼以巡航速度滑行时的水动力特征》,答案是否定的。
[46] 优质蓝鳍金枪鱼在拍卖会上有可能卖出10万美元以上的价格。2013年,一条489磅重的蓝鳍金枪鱼在日本拍出了170万美元的高价。这是东京三昧连锁餐厅在当年第一次连锁餐厅竞拍“新年金枪鱼”的拍卖会上推出的一个宣传噱头。费恩·格林伍德在2013年发表于PRI的《国际邮报》上的文章中称,这个价格约合每磅3 500美元。
[47] 《电子标签揭示大西洋蓝鳍金枪鱼在地中海的栖息地及活动》[发表于2015年的《美国科学公共图书馆》(综合卷)]证实地中海是金枪鱼的产卵地和越冬觅食地。
[48] 大西洋东部和西部的蓝鳍金枪鱼在体型上有非常大的差别,前者大约是后者的10倍大。不同种群的蓝鳍金枪鱼的基因也有很大差别。科学家研究了地中海蓝鳍金枪鱼的近1 000个鱼卵,从中发现了129种不同的单体型,其中一半以上的基因之前从未在地中海蓝鳍金枪鱼体内发现过。2015年,《美国科学公共图书馆》(综合卷)发表了题为《鱼卵线粒体DNA分析显示的人工养殖大西洋蓝鳍金枪鱼个体产卵时间》的论文。
[49] 2009年发表在《美国科学公共图书馆》(综合卷)上的《档案标签表明大西洋蓝鳍金枪鱼有季节性迁移、聚集和水下活动》一文称,科学就是一把双刃剑,了解和保护金枪鱼的科学研究成果同样有助于寻找金枪鱼集中觅食地点,从而导致集中捕捞。
[50] “海豚曾在伊拉克战争中被用于扫雷,在越南甚至被用于对付敌军的蛙人。事实上,就目前而言,动物比大多数机器人系统更敏捷,甚至感官也比后者灵敏。”国防战略专家P. W. 辛格在2017年接受《圣迭戈联合论坛报》记者卡尔·普林采访时说。不过,随着机器人在速度、机动性和自主性方面不断进步,这种情况可能会有所改变。
[51] 近年来,通过与美国海军合作,美国海洋哺乳动物基金会的研究人员发表了大量研究成果。
[52] 2017年,罗斯在接受哥伦比亚广播公司圣迭戈新闻分社采访时称:“如果你想把它们圈养起来以供研究,那么你的研究必须对它们的野外保护起到直接、积极的作用。”
[53] 包括2008年发表于《英国皇家学会学报》上的文章《鱼类和鲸类动物的速度上限》在内的一些研究表明,海豚的突进速度可达每小时33英里,但这一速度与金枪鱼相比还相差甚远。