[科普中國]-5天不飲水＋暴走80公里，角馬刷新動(dòng)物運(yùn)動(dòng)單位能耗記錄

11月15日出版的《自然》雜志將目光投向了非洲大地上相當(dāng)常見的物種——角馬。在博茲瓦納炎熱的旱季來臨時(shí)，當(dāng)?shù)亟邱R為了減少在水源地和覓食地間的奔波，甘愿忍受5天內(nèi)不飲水的殘酷試煉。同時(shí)，在此期間，角馬為了覓食還必須完成將近80公里的移動(dòng)。到底是什么原因讓角馬擁有如此過人的耐力？科學(xué)家們的答案令人震驚。體型決定耗能情況——?jiǎng)游锏哪芰坷靡灿幸?guī)模優(yōu)勢？科學(xué)家們很早就開始研究各種動(dòng)物移動(dòng)狀態(tài)下的耗能情況，他們驅(qū)使動(dòng)物在專門的跑步機(jī)上行走或者奔跑，再給它們戴上可以收集氧氣消耗量數(shù)據(jù)的面罩，以此來計(jì)算運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗情況。鳥類的運(yùn)動(dòng)耗能可以用類似的方式在風(fēng)洞中獲得數(shù)據(jù)，而魚類游動(dòng)耗能可以通過精確測定水中和腮中含氧量的方式來進(jìn)行測量。根據(jù)日本生物學(xué)家本川達(dá)雄于1992年整理的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們總結(jié)了不同運(yùn)動(dòng)方式下各種動(dòng)物的移動(dòng)耗能情況，詳見下圖。鑒于圖中的橫坐標(biāo)是指數(shù)形式，三條曲線可以近似總結(jié)為一條規(guī)律：不論采取何種運(yùn)動(dòng)方式，絕大多數(shù)物種的單位移動(dòng)能耗大約為其體重的-0.3次方。鳥類和飛行昆蟲體型相差雖然懸殊，但都能與飛行耗能曲線很好吻合，蜥蜴、螞蟻一類非常小型的動(dòng)物也相對精確地落在了陸地平移這條線上。通過比較不同動(dòng)物在沿用不同運(yùn)動(dòng)方式時(shí)的能耗情況，我們可以得出很多有趣的結(jié)論。各種動(dòng)物（交通工具）的單位移動(dòng)能耗，作者自制，數(shù)據(jù)來源：參考文獻(xiàn)2首先，和小型動(dòng)物相比，大型動(dòng)物的移動(dòng)效率更高，在各種運(yùn)動(dòng)方式下都有更低的單位移動(dòng)能耗（焦耳每千克每米）。老鼠、兔子、狗、人類、馬的移動(dòng)效率逐次增加，馬的移動(dòng)耗能甚至與汽車處于類似的水平。鼴鼠每天花費(fèi)大量時(shí)間在自己挖掘的洞穴中游走，尋找掉落于其中的獵物。由于體型小，移動(dòng)耗能很高，鼴鼠每天必須吃掉相當(dāng)于自身一半體重的蚯蚓。鼴鼠，作者：Didier Descouens其次，在陸地平移、飛行、游泳三種方式中，陸地平移單位耗能最高，而飛行雖然非常耗費(fèi)能量，但由于移動(dòng)速度快，因此單位移動(dòng)耗能優(yōu)于陸地平移。另外，魚類或者水生哺乳類游泳時(shí)的耗能非常低，這是由于它們在水中的阻力很小，并且有浮力可以協(xié)助抵消重力。所以，相當(dāng)于人類80歲的老年海豚仍然可以在水中暢游。有趣的是，鑒于人類的身體并非為了游泳而生，人類游泳耗能甚至比步行還高不少。直升機(jī)、麻醉槍、黑科技項(xiàng)圈，角馬掏空了科學(xué)家的經(jīng)費(fèi)角馬是一種主要生息在非洲的大型草食哺乳動(dòng)物，動(dòng)物分類學(xué)上是羚羊的近親，以每年5月開始的集群大遷徙而為人所熟知。本次實(shí)驗(yàn)所觀察的對象是生活在非洲南部內(nèi)陸國博茨瓦納的某個(gè)角馬種群。該種群生活在馬卡迪卡迪鹽沼國家公園，旱季時(shí)這里氣候干燥炎熱，僅有少數(shù)固定水源地，并且可供角馬食用的優(yōu)質(zhì)牧草同樣分布局限。食料供給地和水源地間的分離逼迫這里的角馬定期巡回于兩者之間，往返路程可達(dá)數(shù)十公里。同時(shí)，嚴(yán)苛的自然環(huán)境又加劇了該過程中角馬的水分損失，為科學(xué)家們探究大型動(dòng)物在極限情況下的移動(dòng)耗能提供了絕佳條件。本次研究的主角，斑紋角馬，作者：Muhammad Mahdi Karim科學(xué)家們首先乘坐直升機(jī)接近適合的觀察對象，再用麻醉槍將他們捕獲。在角馬清醒之前，科學(xué)家們有足夠的時(shí)間為它們戴上一系列先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，其中包括一個(gè)重約1千克的特制項(xiàng)圈。項(xiàng)圈中配備了GPS、3D加速度計(jì)、3D陀螺儀、3D磁力計(jì)、濕度計(jì)以及黑球溫度計(jì)等先進(jìn)傳感器。這一系列儀器可以完整地記錄角馬日?；顒?dòng)的軌跡、實(shí)時(shí)太陽輻射、氣溫、風(fēng)速以及角馬自身移動(dòng)速度等。18個(gè)月后，這些項(xiàng)圈會(huì)自動(dòng)脫落，如果自動(dòng)脫落失敗，科學(xué)家們需要重新駕駛直升機(jī)追趕角馬并將其麻醉，再手動(dòng)取下項(xiàng)圈。最后，投放的20個(gè)項(xiàng)圈中有17個(gè)完美的讀取出了數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家們驚訝的發(fā)現(xiàn)這群角馬的飲水頻率大多為4天到5天一次，有些角馬在兩次飲水期間甚至完成了長達(dá)80千米的移動(dòng)，這與不少之前的觀察截然不同。并且，即便是最炎熱干燥的旱季晚期，角馬們?nèi)匀谎匾u著整個(gè)旱季一直以來的飲水頻率。由于該地僅有波提提河一處固定水源地并且草料匱乏，這里的角馬生活方式如此凄苦確實(shí)不足為奇。不過它們?nèi)淌苊撍烷L距離移動(dòng)的驚人能力引起了科學(xué)家們的極大興趣。毫無疑問，這說明角馬的移動(dòng)耗能處于極低的水平，但這一宏觀表現(xiàn)背后的微觀機(jī)理是什么呢？每根肌肉都為超強(qiáng)耐力而生——角馬如何實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”？開篇時(shí)我們提到的各種動(dòng)物的單位耗能都是通過測定呼吸過程中的耗氧量間接計(jì)算的，屬于宏觀層面的移動(dòng)耗能。如果深入到微觀角度，單根肌肉纖維的耗能情況將在很大程度上左右生物體自身的移動(dòng)耗能。同時(shí)，動(dòng)物通過消耗來自食物的能量來進(jìn)行移動(dòng)，在此過程中部分能量將以熱量的形式散失到環(huán)境中。如果可以測出單根肌肉纖維獲得的能量和其收縮過程中向外界釋放的熱量，我們就能得到肌纖維的能量轉(zhuǎn)化效率。然而，直接測量大型動(dòng)物單根肌肉纖維的效率極為困難，研究者之前僅僅在小白鼠身上取得過類似數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵绞谴笮蛣?dòng)物，肌肉纖維就越長，橫徑就越細(xì)，例如角馬肌肉纖維的粗細(xì)僅有不足100微米，這給分離纖維和制作測試治具都造成了巨大的困難。骨骼肌示意圖，來源：BruceBlaus研究團(tuán)隊(duì)勇敢的挑戰(zhàn)了這一難題，首次成功測量了大型動(dòng)物單根肌肉纖維的耗能情況。麻醉狀態(tài)下，科學(xué)家們采集了來自6匹角馬前肢的尺側(cè)腕屈肌組織樣本。作為對比，同一部位的肌肉纖維樣本由7頭來自英國農(nóng)場的成年奶牛提供。經(jīng)過一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們測出了角馬的肌肉效率高達(dá)62.6%，也就是說，角馬的肌肉可以將所獲得能量的三分之二用于收縮，而僅僅產(chǎn)生相當(dāng)于總輸入能量三分之一的熱量。肌肉能量產(chǎn)生動(dòng)能的同時(shí)不可避免的產(chǎn)生熱量和代謝廢物，來源：作者自制角馬超高的肌肉效率和超低的肌肉產(chǎn)熱為它們提供了嚴(yán)酷條件下的超強(qiáng)適應(yīng)性。由于肌肉產(chǎn)熱低，角馬無需耗費(fèi)大量寶貴的水分來出汗降溫，也因此獲得了忍耐干渴的神奇能力。與此相對，比角馬體型更大的奶牛（體重達(dá)到760kg，是角馬的幾乎四倍），肌肉效率反而只有41.8%。小型動(dòng)物方面，不出所料，小鼠為34%，野兔為27%，都顯著低于大型動(dòng)物，這一結(jié)論與動(dòng)物宏觀移動(dòng)耗能的規(guī)律完全吻合?？茖W(xué)探索永無止境，科學(xué)家們目前的研究重點(diǎn)已經(jīng)放在了進(jìn)一步揭示為何角馬肌肉擁有如此特殊的性質(zhì)上。大自然從來不缺天賦，每一個(gè)物種身上都可能有人類無法小覷的異能，發(fā)掘和認(rèn)識(shí)自然界，將一直成為人類認(rèn)識(shí)自我、完善自我、超越自我的絕佳途徑。作者 | 張昊 大阪大學(xué)審稿 | 陸修遠(yuǎn) 大阪大學(xué)免疫前沿研究中心 特任研究員文章由騰訊科學(xué)“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”