蝠鲼过滤海水有妙招

2022-12-30 07:00
中国科学探险 2022年7期
关键词:丰年滤膜海水

海水中有浮游动物和浮游植物,通称为“浮游生物”。浮游生物在水中载浮载沉,有些动物就以过滤的方式取用浮游生物,这种觅食方式称为“滤食”。以滤食为生的海洋动物真是洋洋大观,体型有大有小,包括构造简单的海绵、苔藓虫,到餐桌上的蛤蜊,还有世界上最庞大的动物—蓝鲸,都是滤食性的动物。俗称“魔鬼鱼”的鲼鲼,也是滤食家族的成员,还会以翻觔斗的方式进食,一直是潜水客的最爱。

滤食功夫有学问

其实,人类也将“过滤”运用工业,可分为“直接过滤”“横流过滤”“水悬胶过滤”以及“涡旋过滤”。“直接过滤”最直接,就是水流垂直通过滤膜。“横流过滤”的水流则以平行方向流经滤膜。“水悬胶过滤”则是不少海洋动物采用的方式,这些动物会制造黏液,就算是小于滤膜孔洞的颗粒也不会放过。“涡旋过滤”藉着高速涡流,把颗粒集中到滤膜周边,因此能够防止阻塞,且颗粒的密度必须大于流体的密度。

蝠鲼张口吸入海水,用鱼鳃当滤膜过滤海水,滤出的浮游生物会集中起来进入食道。根据以往文献,蝠鲼的滤食方式不属于四种中的前三种,且觅食的浮游生物的密度与海水相同,因此也不属于第四种,这到底是怎么回事呢?

跨学科的技术来解谜

2018年,有三位美国海洋科研者为了看清楚水流和鱼鳃之间的交互关系,于是利用3D打印的方式,复制出双吻前口蝠鲼的鱼鳃,并且把鱼鳃复制品放进两端都能让水流动的水槽,并且根据蝠鲼游泳的速度、连续性方程加上解剖资料来重建流速,以模拟口腔的环境。为了让实验更贴近自然情境,他们用密度和海水相当的丰年虾卵当颗粒,且丰年虾卵比鱼鳃的细缝要小。结果发现,大部分的丰年虾卵都没有穿透复制鱼鳃,也没有发现阻塞的现象,虾卵似乎从复制鱼鳃的边缘“滑行”过去了。

以上都是目测的现象,如何将食物颗粒流动的路径呈现出来呢?三位科研者采用“计算流体力学”(CFD),描绘出食物颗粒经过鱼鳃的路径:原来颗粒经过鱼鳃的瞬间,会出现“跳弹”的动作,不但不会通过细缝,还会向外弹出回到水流,最后众多颗粒会集中起来进入食道。那么要是鱼鳃细缝的宽度变大呢?因为相较之下,褐背蝠鲼的鱼鳃细缝宽度,是双吻前口蝠鲼的5倍,为此作者利用褐背蝠鲼的鱼鳃来示范。这次作者采用了“微米级计算机断层”的技术,纪录了食物颗粒经过鱼鳃的路径,也发现相同的结果,食物颗粒依旧出现弹跳的路径,可见就算鱼鳃细缝变宽,依旧能将食物颗粒一网打尽!

蝠鲼滤食的启示

本研究的三位作者指出:两种蝠鲼的滤食方式均能防止食物颗粒阻塞鱼鳃,因此不需要闭起嘴巴排除阻塞,可以不停地进食;另一方面,极小的颗粒也不会穿透鱼鳃,和大颗粒一起吞下食道,可以说是“大小通吃”。这种觅食方式非常节省能量,就算在食物较少的水域,蝠鲼照样能够存活。

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