群体行为如何降低鱼类的能量成本

许多动物，包括顶级掠食者，都是成群活动的。我们知道这种集体行为对于动物在复杂环境中移动的能力至关重要，但对于驱动这种行为的因素知之甚少，因为其进化背后有许多因素。然而，科学家们想知道所有这些动物是否都有共同的基本驱动力，例如交配、安全，甚至可能是节省能量。

哈佛大学有机与进化生物学系 (OEB) 博士后研究员张扬帆说：“关键词或许是，因为没有人真正测量过这一点，并直接在所有动物群体中进行比较，主要是因为很难一个系统不仅可以衡量一个群体，还可以衡量该群体中的个人。但是，我们确实知道，从进化的角度来看，优化能源使用效率存在一定的压力。”

在《eLife》上发表的一项新研究中，张和合著者、同样在 OEB 和比较动物学博物馆鱼类学馆长的 George Lauder 教授质疑动物在液体中移动的协调群体运动是否可以降低运动的能量成本。通过结合生物力学和生物能量学(在高度专业化的实验平台中同时测量代谢能量消耗和动物运动)，研究人员不仅发现了显着的能量节省，而且还发现每次尾巴跳动的能量消耗减少。

陆生脊椎动物从鱼类进化而来，从鳍过渡到四肢，并将呼吸器官从水生呼吸转变为空气呼吸。尽管环境和呼吸系统不同，但所有脊椎动物和鱼类都具有相同的代谢途径来产生能量。一种途径使用氧气，称为有氧代谢。另一种途径称为无氧途径，在氧气有限或无法提供足够的能量以高速移动时使用。它们共同构成运动的总能量消耗。然而，与在空中或陆地上移动的动物相比，鱼类更需要优化其运动。这是因为水的粘度是空气的 50 倍，并且在运动过程中需要相当大的能量来克服流体阻力。与空气相比，每公斤水中的氧气含量也低五倍;这意味着水生动物受到氧气供应上限较低的“挤压”，并且对能量需求的压力较高。

为了测试鱼类运动的能量消耗，张和兰黛设计了一种控制水流速度的密封水“跑步机”。通过测量从密封的“跑步机”中除去氧气的速率，研究人员能够区分动物吸收氧气的速率。

“该系统的设计具有测量灵敏度，可以直接捕获单条鱼的能量成本与八条鱼的能量成本相比，”张说。“通过对水流速度受控的水中跑步机中的鱼的生物量进行标准化，我们可以直接比较鱼群和单条鱼之间的游泳成本。”

“跑步机”还采用了两个高速正交摄像头来捕捉独特的运动特征——一个是侧视图，另一个是底部视图。这有助于测量鱼的三维位置，并使研究人员能够测量鱼群中鱼之间的距离。

“我们发现，与个体相比，群体作为一个整体移动的单位生物量的总成本要低得多，而且群体在每秒一个身体长度的中值速度下消耗的能量最少，”张说。 。“当我们观察追踪野生动物的研究时，我们发现许多动物以每秒一个身体长度左右的速度迁徙。”

研究人员发现，快速移动需要更多能量，但缓慢移动也需要更多能量。然而，在每秒一个身体长度的中等速度下，他们发现游泳成本最低的能量曲线有所下降，而在更快和更慢的速度下能量曲线都增加，呈现出 J 形关系。

作为最多样化的脊椎动物群体，鱼类对人类社会具有巨大的文化和商业价值。然而，气候变化是对鱼类生物多样性的直接挑战。

“对未来鱼类丰富度的预测不能仅基于个体的生物学，”劳德说，“我们还需要对集体运动有一个基本的了解，以解释群体内个体之间的相互作用。研究环境限制下水生运动的能量学不仅可以深入了解脊椎动物生理学的高度保守特征，还可以深入了解流体动力学原理和动物运动的内部运作原理。”

“我认为这项研究的美妙之处在于，我们以整体方式捕获了能源消耗的全部范围，使我们能够解释高速变化的能源成本，”张说。“几十年来，科学家们一直在研究这个问题，但我们发现关键不仅在于测量有氧成本，还在于测量无氧成本。这对于任何生物体来说都是一个重要的部分，如果不测量两者，你只能了解一半的故事。

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