■張宇寧
鯨魚的鰭通常都是光滑的，但座頭鯨的背鰭周圍卻有著讓人頗為驚詫的小突起。座頭鯨是鬚鯨的一種，成年的座頭鯨體長在12—16米之間，體重大約是36噸。
美國賓夕法尼亞州的生物學家弗蘭克·費什有一次在波士頓禮品店購物，驚奇地發現店中一隻座頭鯨雕像上，鯨魚的背鰭周圍有疣狀的小突起。這個現象讓他頗為疑惑。這些疣狀的突起不在魚鰭的後端，而是沿著其前端進一步向前延伸。這些突起讓人頗感意外，因為大部分鯨魚的鰭前緣都是光滑的。從流體力學的視角而言，突起經常會導致流動惡化，從而增加座頭鯨行進過程中的阻力。
帶著這個困惑，費什開始了對座頭鯨背鰭的細緻觀察與深入研究。研究結果顯示，座頭鯨背鰭上凹凸不平的突起有著恰到好處的形狀和位置，不僅不會影響座頭鯨在水中的遊動，而且還能產生微小的漩渦使鯨魚受到一定的浮力，並能幫助座頭鯨在海中遊泳時減少一定的摩擦。
這些研究結果很好地解釋了為什麼龐大的座頭鯨能在水中令人稱奇地敏捷遊動。座頭鯨的這一效應被費什命名為「結節效應」。
值得一提的是，目前「結節效應」已被成功地應用到衝浪板、電風扇、自行車管胎設計等日常生活之中，有效降低了阻力損失，進一步改善了產品性能並提高效率。
座頭鯨還有一個很神奇的地方便是其捕食的方式。一群座頭鯨在魚群下方和周圍呈收縮狀的圓形遊弋，同時吐出空泡，形成直徑可高達30米的空泡網，從而將魚群限制在一個狹小的空間中進行捕食。
通過將一個小型的設備植入座頭鯨的背部，人們得以詳細了解座頭鯨的捕食秘密。首先，一群座頭鯨下潛到目標魚群的下方並呈現一個收縮的圓形的分布。接著，座頭鯨吐出空泡形成空泡網包圍魚群。最後，座頭鯨快速地自下而上地衝向魚群，並張開大口，吞下大量的魚，完成捕食。
在整個過程中，每個座頭鯨都有著明確的分工，比如，有的負責吐空泡，有的潛入水下向上驅趕魚群，還有的發出呼嘯聲將魚群控制在空泡網內等等。通過重建座頭鯨捕食過程中的動作和空泡網的三維圖像，科學家還發現了座頭鯨的一種前所未知的雙層空泡網的捕食方式，這有待進一步的探索研究。
除了鯨魚，海洋中的另一個「霸主」——鯊魚的生存智慧也給人類的科研帶來了許多靈感。
相比於海洋中的其他大型生物，鯊魚雖然身軀龐大，但遊動速度極快，且沒有藻類、藤壺等海洋生物附著在皮膚上的困擾。通過研究，科學家們發現鯊魚的體表分布著V形盾鱗，鱗片之間形成的溝槽使水流快速從中流過，降低鯊魚在水中遊弋的阻力，提升遊動速度。同時，盾鱗的存在使得鯊魚皮表面形成許多高低、長短不一的突起，這種表面結構能夠防止海洋生物的附著，進一步提高了鯊魚的遊動速度。
當前，鯊魚皮的特殊結構主要應用於仿生泳衣，可以有效降低遊泳時的阻力。此外，鯊魚皮塗層可通過改善軍用艦船和商用船隻的船體表面結構從而提高其航行速度，並防止船體表面上的「生物淤積」，降低了船舶的清理成本。
依託自然界中動物的行為開展科學研究的又一個成功例子是水母耳風暴預測儀。風暴的預測對於在海上航行的船隻和沿海的漁船來說有著極其重要的作用和意義。因此，研製能夠有效預測、預警海上風暴的儀器對保護船隻的航行安全有著重大意義。
基於長時間的生活經驗，漁民發現在風暴來臨前，身體柔軟的水母會率先從沿海遊向海洋深處避難，好像能聽到風暴的「廣播」。
這個現象很快激發了很多科學家的研究熱情，並為此孜孜不倦地探索。研究結果顯示，在海上風暴來臨前，空氣和海面的波浪相互摩擦可以產生次聲波。遺憾的是，次聲波的頻率較低，小於20赫茲，因此人體無法有效地接收和感知到。
但是，自然界中的很多動物能有效地接收到次聲波，例如水母。在水母耳朵的內部有一個極小的聽石，次聲波能使小聽石發生一定程度的振動，並進一步刺激水母耳壁內的神經感受器，使得水母可以聽到人耳聽不到的次聲波，從而了解到遠處的風暴即將到來並提前轉移到深海處躲避。
在探析了水母躲避海上風暴的原理之後，科學家們仔細地研究了水母耳朵的結構並依據此設計出了水母耳風暴預測儀。該儀器利用次聲波來預警海上風暴，與水母的耳朵有著異曲同工之妙。在接收到海上風暴產生的特定的次聲波後，預測儀可以準確地給出風暴來臨的方向，並依據次聲波的強度來計算風暴的強度等級。
目前，水母耳風暴預測儀已經能夠較為準確地預測15小時後的海上風暴，從而進一步健全和完善了海上災難預報、預警系統，最大限度保障了海上行進中的各類船隻的安全。
經過億萬年的進化和演變，大自然中的很多生物均有著獨特的生存智慧。通過細緻的觀察和系統性的學習，本科生可以嘗試藉助大自然的鬼斧神工激發出獨具特色的科研想法，從而獲得更多的科學發現。
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《中國科學報》 (2020-11-19 第8版 博客)