游多深最省力？科学家发现鲸类海龟企鹅的“2~3倍”黄金法则

本文来源于海潮天下（Marine Biodiversity）

海潮天下·导读

一项发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究，首次用高分辨率追踪数据证实，包括海龟、企鹅和鲸鱼在内的多种海洋迁徙动物，在非觅食的长途旅行中遵循着一套精确的“节能法则”——它们并非在水面游动（以避免产生浪费能量的表面波浪阻力），也不是潜入深海；而是默契地选择在水下约2~3倍于自身体径的深度行进。这一发现揭示了跨物种的能量优化通用原理，纠正了以往因设备精度限制而忽视浅层潜水数据的偏差，为制定保护迁徙物种的海洋政策提供了科学依据。

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出品 | 海潮天下

我们都知道，海洋里的动物有很多种类，其中有些是哺乳动物，比如鲸鱼和海豚；有些是鸟类，比如企鹅；还有一些是爬行动物，比如海龟。这些大大小小的海洋动物的生活习性，跟我们人类很不同，它们在水中的运动方式也和我们想象的很不一样。尤其是在迁徙的过程中，它们会游得非常远，而且要克服许多挑战。在这样的旅途中，如何节省能量呢？这就成了一个关键问题。一项科学研究发现了一个有趣的现象：这些海洋动物在不觅食的时候，都会选择一个特定的游泳深度，这个深度能帮它们节省能量、并减少不必要的阻力。

首先，我们得了解一下，为什么海洋动物在游泳时，需要特别注意能量的使用。

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▲上图：水平迁徙的“节能深度”理论模型。图示揭示了水面波浪阻力对游泳效率的影响：(A)即使是奥运选手，在水面游泳时也会因产生波浪而浪费能量；(B-C)拖曳实验与活体测试（海豹及人类）证实，当潜游深度达到自身体径的2至3倍时，波浪阻力降至最低，能耗最优。该理论表明，对于仅以水平移动为目的的海洋动物（如哺乳类、鸟类和爬行类），最佳策略并非浮于水面或深潜，而是保持在这一特定的浅层深度行进，以实现长途迁徙的能量最大化利用。论文出处：Kimberley L Stokes, et al.

大家想象一下，如果你在水中游泳，你肯定能感觉到水的阻力。无论是水流的力量，还是水面上的波浪，都需要付出一定的力量来克服它们。

而对于那些长时间迁徙的动物来说，每次游泳都需要消耗大量的能量。如果没有采取一些有效的方式来减少这种能量消耗，它们可能就无法完成长途跋涉，最终可能会面临无法生存的困境。所以，如何节省能量，成为这些海洋动物在迁徙过程中的“重要课题”。现在我们来说说这项研究的细节。科学家们动用了三维追踪技术，跟踪了多种海洋动物的游泳深度。这些动物包括企鹅、海龟等，它们在迁徙过程中，特别是长途旅行时，会根据自身的体型选择一个适合的游泳深度。这个深度大约是它们身体长度的2~3倍。为什么是这个深度呢？科学家们通过物理学的原理解释了这个现象。当海洋动物游泳时，如果它们在水面附近，波浪的产生会增加游泳的阻力。也就是说，水面上的波浪会让它们消耗更多的能量。如果它们游得太浅，水面上不断产生的波浪就会让它们的身体在水中前进变得更困难，消耗更多的能量。

卡塔尔海域的鲸鲨。摄影：卡塔尔海湾地区鲸鲨保护中心（RWSCC），王敏幹（John MK Wong）供图 | | 海潮天下（Marine Biodiversity）（图文无关）

所以，它们会选择游到一个深度——这个深度能有效避开波浪的产生，同时还能减少垂直方向的距离，这样就能节省能量。更有趣的是，科学家们发现，这种游泳深度的选择并不是某一物种独有的现象，而是跨越了多种海洋动物——无论是企鹅、海龟，还是鲸鱼、海豚，这些不同种类的动物都会在迁徙过程中选择类似的游泳深度。这让科学家们非常惊讶——因为这些动物的体型差异很大，从只有30厘米的小企鹅、到20米长的大鲸鱼，它们的游泳深度竟然都遵循着相似的规律？！这就意味着，能量优化的规律在这些物种中是普遍存在的，跨越了体型的差异，成为了它们共同的“节能”、“省力”策略。

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一头虎鲸冒出水面。©摄影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

说到这里，我们可能会有一个疑问，为什么这些海洋动物不直接在水面上游泳呢？毕竟，水面上的游泳可能看起来比较轻松，似乎不需要太大的力气。

但是，正如前面所说，水面上的波浪会给游泳增加很大的阻力。为了避免这种不必要的能量浪费，海洋动物会选择游得稍微深一些，这样能避开波浪的干扰，同时也能减少身体与水面之间的接触，降低水流阻力，达到节省能量的效果。实际上，这项研究的成果并不是一蹴而就的。科学家们通过先进的技术手段，精确地追踪了这些动物的游泳深度。比如，他们使用了高分辨率的深度加速度计，记录了小企鹅和海龟游泳时的深度，误差仅为1.5厘米。这些数据非常精确，帮助科学家们更好地理解动物的行为。此外，科学家们还结合了卫星追踪数据，跟踪了绿海龟的长途迁徙过程。通过这些数据，他们终于证实了这些动物在迁徙过程中，确实会选择一个合适的深度来优化它们的能量使用。

海面下的一群海豚。©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 海潮天下（Marine Biodiversity）

这个研究发现，海洋动物在迁徙过程中选择的游泳深度，除了可以避开波浪，它还有一个重要的功能：减少垂直方向的距离。大家知道，海洋动物在游泳时，先得克服水流的阻力，还需要克服垂直方向上的起伏。所以，如果它们选择的游泳深度太浅的话，可能会导致更多的上下波动、增加了能量的消耗。而如果它们选择一个适中的深度的话，就能够减少这些无谓的上下波动，达到节省体力和能量的目的。

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▲上图：一只游泳中的玳瑁。©Linda Wong 摄影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

因此，这种优化深度的策略，实际上是两全其美——既避免了波浪带来的阻力，又减少了垂直方向的运动，最终达到了能量的最大化节省。可见，海洋动物选择合适的游泳深度来节省能量，是在迁徙旅程中生存下来、进化出来的一种策略。这项研究揭示了海洋动物的游泳深度规律，提供了保护这些动物的新的思路。随着气候变化和人类活动的影响，越来越多的海洋动物面临着生存的威胁，尤其是那些长时间迁徙的物种。如能更好地理解它们在迁徙过程中的能量需求，就可以为它们提供更合适的保护措施，减少人为干扰，让它们得以顺利完成迁徙。

海洋科学

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资讯源 | Kimberley L Stokes, et al.编译 | 王海诗

编辑 | 海潮君

排版 | 卢晓雨

【参考资料】感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：
Kimberley L. Stokes, Nicole Esteban, Paolo Casale, André Chiaradia, Yakup Kaska, Akiko Kato, Paolo Luschi, Yan Ropert-Coudert, Holly J. Stokes, Graeme C. Hays. Optimization of swim depth across diverse taxa during horizontal travel. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (52) DOI: 10.1073/pnas.2413768121