解讀海生蝸牛運動的流體物理學

2020-09-09 科技工作者


海生蝸牛

海洋中，每天都有數以億計的微型海生蝸牛（一種浮遊生物）往返於地表水域與幾百米下的深海棲息地之間，它們晚上在水面附近覓食，白天則在深海中躲避捕食者。這種生物在地球化學循環過程和氣候變化中扮演著重要角色：全球12%至13%的碳酸鹽通量是在死螺的碳酸鈣外殼下沉到深海時生成的——它們溶解後會導致大氣含碳量增加和海洋酸化效應。由於它們不能在實驗室存活，研究難度很大，人們對這類動物的行為知之甚少，尤其是亞熱帶和熱帶最具生物多樣性的海蝴蝶。

據《前沿》雜誌9月7日報導，一組專門從事流體物理學和生物學交叉研究的海洋學家和工程師，拍攝了熱帶海生蝸牛的運動視頻，並從流體物理學和生態學的角度對它們進行了分析。

他們的研究結果表明，這類生物的每個物種都有自己獨特的遊泳姿態和下沉方式，而這些美麗的外在表現取決於其殼的形狀（捲曲型、拉長型或圓形型）、身體大小、有無 「翅膀」以及運動速度。體型最小的那些物種遊動更加困難，因為海水對於它們來說「更粘稠」，會影響它們運動的角度、軌跡和穩定性。

論文的通訊作者、美國南佛羅裡達大學機械工程系的助理教授David Murphy博士介紹：「我們想知道它們外殼的不同形狀和大小是如何影響其遊泳行為的。我們發現，擁有飛機翼狀外殼的物種比那些擁有「蝸牛狀」盤繞外殼的物種遊得更快，也更容易調整姿態。然而，遊泳速度與這些動物每天遷徙的距離沒有相關性，這表明光線、溫度水平以及捕食者和獵物也在這個過程起到了一定作用。我們還發現，擁有翅膀形外殼的海蝴蝶會藉助其外殼向下『滑翔』，以減緩下沉的速度。了解這些動物的遊泳能力有助於我們更好地了解它們在海洋中的生態重要性和分布情況。此外，作為工程師，我們希望從這些生物的遊泳方式中獲得靈感，以求設計出新一代仿生潛水器。」

2017年至2019年間，研究人員在百慕達附近的夜晚海域捕獲了9種翼足類動物海生蝸牛（從0.9毫米到13.1毫米長不等）的多個個體樣本，其中包括7種「海蝴蝶」，1種「海洋天使」 ，另有一種亞特蘭提德翼足類。 為研究每一物種的活動深度偏好，Murphy團隊進一步採集了大量海生蝸牛。他們使用基於圖片的機器學習和DNA進行分類，估算出這些物種每天垂直遊動50至300米，每天的通勤時間為1到3.7小時。

編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源： 《前沿》

期刊編號： 0016-2086

原文連結： https://phys.org/news/2020-09-poetry-motion-fluid-physics-movement.html

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