游多深最省力？科學家發現鯨類海龜企鵝的“2~3倍”黃金法則

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

海潮天下·導讀

一項發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）的研究，首次用高分辨率追蹤數據證實，包括海龜、企鵝和鯨魚在內的多種海洋遷徙動物，在非覓食的長途旅行中遵循著一套精確的“節能法則”——它們并非在水面游動（以避免產生浪費能量的表面波浪阻力），也不是潛入深海；而是默契地選擇在水下約2~3倍于自身體徑的深度行進。這一發現揭示了跨物種的能量優化通用原理，糾正了以往因設備精度限制而忽視淺層潛水數據的偏差，為制定保護遷徙物種的海洋政策提供了科學依據。

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出品 | 海潮天下

我們都知道，海洋里的動物有很多種類，其中有些是哺乳動物，比如鯨魚和海豚；有些是鳥類，比如企鵝；還有一些是爬行動物，比如海龜。這些大大小小的海洋動物的生活習性，跟我們人類很不同，它們在水中的運動方式也和我們想象的很不一樣。尤其是在遷徙的過程中，它們會游得非常遠，而且要克服許多挑戰。在這樣的旅途中，如何節省能量呢？這就成了一個關鍵問題。一項科學研究發現了一個有趣的現象：這些海洋動物在不覓食的時候，都會選擇一個特定的游泳深度，這個深度能幫它們節省能量、并減少不必要的阻力。

首先，我們得了解一下，為什么海洋動物在游泳時，需要特別注意能量的使用。

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▲上圖：水平遷徙的“節能深度”理論模型。圖示揭示了水面波浪阻力對游泳效率的影響：(A)即使是奧運選手，在水面游泳時也會因產生波浪而浪費能量；(B-C)拖曳實驗與活體測試（海豹及人類）證實，當潛游深度達到自身體徑的2至3倍時，波浪阻力降至最低，能耗最優。該理論表明，對于僅以水平移動為目的的海洋動物（如哺乳類、鳥類和爬行類），最佳策略并非浮于水面或深潛，而是保持在這一特定的淺層深度行進，以實現長途遷徙的能量最大化利用。論文出處：Kimberley L Stokes, et al.

大家想象一下，如果你在水中游泳，你肯定能感覺到水的阻力。無論是水流的力量，還是水面上的波浪，都需要付出一定的力量來克服它們。

而對于那些長時間遷徙的動物來說，每次游泳都需要消耗大量的能量。如果沒有采取一些有效的方式來減少這種能量消耗，它們可能就無法完成長途跋涉，最終可能會面臨無法生存的困境。所以，如何節省能量，成為這些海洋動物在遷徙過程中的“重要課題”。現在我們來說說這項研究的細節。科學家們動用了三維追蹤技術，跟蹤了多種海洋動物的游泳深度。這些動物包括企鵝、海龜等，它們在遷徙過程中，特別是長途旅行時，會根據自身的體型選擇一個適合的游泳深度。這個深度大約是它們身體長度的2~3倍。為什么是這個深度呢？科學家們通過物理學的原理解釋了這個現象。當海洋動物游泳時，如果它們在水面附近，波浪的產生會增加游泳的阻力。也就是說，水面上的波浪會讓它們消耗更多的能量。如果它們游得太淺，水面上不斷產生的波浪就會讓它們的身體在水中前進變得更困難，消耗更多的能量。

卡塔爾海域的鯨鯊。攝影：卡塔爾海灣地區鯨鯊保護中心（RWSCC），王敏幹（John MK Wong）供圖 | | 海潮天下（Marine Biodiversity）（圖文無關）

所以，它們會選擇游到一個深度——這個深度能有效避開波浪的產生，同時還能減少垂直方向的距離，這樣就能節省能量。更有趣的是，科學家們發現，這種游泳深度的選擇并不是某一物種獨有的現象，而是跨越了多種海洋動物——無論是企鵝、海龜，還是鯨魚、海豚，這些不同種類的動物都會在遷徙過程中選擇類似的游泳深度。這讓科學家們非常驚訝——因為這些動物的體型差異很大，從只有30厘米的小企鵝、到20米長的大鯨魚，它們的游泳深度竟然都遵循著相似的規律？！這就意味著，能量優化的規律在這些物種中是普遍存在的，跨越了體型的差異，成為了它們共同的“節能”、“省力”策略。

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一頭虎鯨冒出水面。?攝影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

說到這里，我們可能會有一個疑問，為什么這些海洋動物不直接在水面上游泳呢？畢竟，水面上的游泳可能看起來比較輕松，似乎不需要太大的力氣。

但是，正如前面所說，水面上的波浪會給游泳增加很大的阻力。為了避免這種不必要的能量浪費，海洋動物會選擇游得稍微深一些，這樣能避開波浪的干擾，同時也能減少身體與水面之間的接觸，降低水流阻力，達到節省能量的效果。實際上，這項研究的成果并不是一蹴而就的。科學家們通過先進的技術手段，精確地追蹤了這些動物的游泳深度。比如，他們使用了高分辨率的深度加速度計，記錄了小企鵝和海龜游泳時的深度，誤差僅為1.5厘米。這些數據非常精確，幫助科學家們更好地理解動物的行為。此外，科學家們還結合了衛星追蹤數據，跟蹤了綠海龜的長途遷徙過程。通過這些數據，他們終于證實了這些動物在遷徙過程中，確實會選擇一個合適的深度來優化它們的能量使用。

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

這個研究發現，海洋動物在遷徙過程中選擇的游泳深度，除了可以避開波浪，它還有一個重要的功能：減少垂直方向的距離。大家知道，海洋動物在游泳時，先得克服水流的阻力，還需要克服垂直方向上的起伏。所以，如果它們選擇的游泳深度太淺的話，可能會導致更多的上下波動、增加了能量的消耗。而如果它們選擇一個適中的深度的話，就能夠減少這些無謂的上下波動，達到節省體力和能量的目的。

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▲上圖：一只游泳中的玳瑁。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

因此，這種優化深度的策略，實際上是兩全其美——既避免了波浪帶來的阻力，又減少了垂直方向的運動，最終達到了能量的最大化節省。可見，海洋動物選擇合適的游泳深度來節省能量，是在遷徙旅程中生存下來、進化出來的一種策略。這項研究揭示了海洋動物的游泳深度規律，提供了保護這些動物的新的思路。隨著氣候變化和人類活動的影響，越來越多的海洋動物面臨著生存的威脅，尤其是那些長時間遷徙的物種。如能更好地理解它們在遷徙過程中的能量需求，就可以為它們提供更合適的保護措施，減少人為干擾，讓它們得以順利完成遷徙。

海洋科學

（注：本文僅代表資訊或者作者個人觀點。不代表平臺觀點。歡迎留言、討論。）

資訊源 | Kimberley L Stokes, et al.編譯 | 王海詩

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

【參考資料】感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
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