[科普中国]-5天不饮水＋暴走80公里，角马刷新动物运动单位能耗记录

11月15日出版的《自然》杂志将目光投向了非洲大地上相当常见的物种——角马。在博兹瓦纳炎热的旱季来临时，当地角马为了减少在水源地和觅食地间的奔波，甘愿忍受5天内不饮水的残酷试炼。同时，在此期间，角马为了觅食还必须完成将近80公里的移动。到底是什么原因让角马拥有如此过人的耐力？科学家们的答案令人震惊。体型决定耗能情况——动物的能量利用也有规模优势？科学家们很早就开始研究各种动物移动状态下的耗能情况，他们驱使动物在专门的跑步机上行走或者奔跑，再给它们戴上可以收集氧气消耗量数据的面罩，以此来计算运动过程中的能量消耗情况。鸟类的运动耗能可以用类似的方式在风洞中获得数据，而鱼类游动耗能可以通过精确测定水中和腮中含氧量的方式来进行测量。根据日本生物学家本川达雄于1992年整理的文献数据，科学家们总结了不同运动方式下各种动物的移动耗能情况，详见下图。鉴于图中的横坐标是指数形式，三条曲线可以近似总结为一条规律：不论采取何种运动方式，绝大多数物种的单位移动能耗大约为其体重的-0.3次方。鸟类和飞行昆虫体型相差虽然悬殊，但都能与飞行耗能曲线很好吻合，蜥蜴、蚂蚁一类非常小型的动物也相对精确地落在了陆地平移这条线上。通过比较不同动物在沿用不同运动方式时的能耗情况，我们可以得出很多有趣的结论。各种动物（交通工具）的单位移动能耗，作者自制，数据来源：参考文献2首先，和小型动物相比，大型动物的移动效率更高，在各种运动方式下都有更低的单位移动能耗（焦耳每千克每米）。老鼠、兔子、狗、人类、马的移动效率逐次增加，马的移动耗能甚至与汽车处于类似的水平。鼹鼠每天花费大量时间在自己挖掘的洞穴中游走，寻找掉落于其中的猎物。由于体型小，移动耗能很高，鼹鼠每天必须吃掉相当于自身一半体重的蚯蚓。鼹鼠，作者：Didier Descouens其次，在陆地平移、飞行、游泳三种方式中，陆地平移单位耗能最高，而飞行虽然非常耗费能量，但由于移动速度快，因此单位移动耗能优于陆地平移。另外，鱼类或者水生哺乳类游泳时的耗能非常低，这是由于它们在水中的阻力很小，并且有浮力可以协助抵消重力。所以，相当于人类80岁的老年海豚仍然可以在水中畅游。有趣的是，鉴于人类的身体并非为了游泳而生，人类游泳耗能甚至比步行还高不少。直升机、麻醉枪、黑科技项圈，角马掏空了科学家的经费角马是一种主要生息在非洲的大型草食哺乳动物，动物分类学上是羚羊的近亲，以每年5月开始的集群大迁徙而为人所熟知。本次实验所观察的对象是生活在非洲南部内陆国博茨瓦纳的某个角马种群。该种群生活在马卡迪卡迪盐沼国家公园，旱季时这里气候干燥炎热，仅有少数固定水源地，并且可供角马食用的优质牧草同样分布局限。食料供给地和水源地间的分离逼迫这里的角马定期巡回于两者之间，往返路程可达数十公里。同时，严苛的自然环境又加剧了该过程中角马的水分损失，为科学家们探究大型动物在极限情况下的移动耗能提供了绝佳条件。本次研究的主角，斑纹角马，作者：Muhammad Mahdi Karim科学家们首先乘坐直升机接近适合的观察对象，再用麻醉枪将他们捕获。在角马清醒之前，科学家们有足够的时间为它们戴上一系列先进的监测设备，其中包括一个重约1千克的特制项圈。项圈中配备了GPS、3D加速度计、3D陀螺仪、3D磁力计、湿度计以及黑球温度计等先进传感器。这一系列仪器可以完整地记录角马日常活动的轨迹、实时太阳辐射、气温、风速以及角马自身移动速度等。18个月后，这些项圈会自动脱落，如果自动脱落失败，科学家们需要重新驾驶直升机追赶角马并将其麻醉，再手动取下项圈。最后，投放的20个项圈中有17个完美的读取出了数据。通过分析这些数据，科学家们惊讶的发现这群角马的饮水频率大多为4天到5天一次，有些角马在两次饮水期间甚至完成了长达80千米的移动，这与不少之前的观察截然不同。并且，即便是最炎热干燥的旱季晚期，角马们仍然沿袭着整个旱季一直以来的饮水频率。由于该地仅有波提提河一处固定水源地并且草料匮乏，这里的角马生活方式如此凄苦确实不足为奇。不过它们忍受脱水和长距离移动的惊人能力引起了科学家们的极大兴趣。毫无疑问，这说明角马的移动耗能处于极低的水平，但这一宏观表现背后的微观机理是什么呢？每根肌肉都为超强耐力而生——角马如何实现“节能减排”？开篇时我们提到的各种动物的单位耗能都是通过测定呼吸过程中的耗氧量间接计算的，属于宏观层面的移动耗能。如果深入到微观角度，单根肌肉纤维的耗能情况将在很大程度上左右生物体自身的移动耗能。同时，动物通过消耗来自食物的能量来进行移动，在此过程中部分能量将以热量的形式散失到环境中。如果可以测出单根肌肉纤维获得的能量和其收缩过程中向外界释放的热量，我们就能得到肌纤维的能量转化效率。然而，直接测量大型动物单根肌肉纤维的效率极为困难，研究者之前仅仅在小白鼠身上取得过类似数据。这是因为越是大型动物，肌肉纤维就越长，横径就越细，例如角马肌肉纤维的粗细仅有不足100微米，这给分离纤维和制作测试治具都造成了巨大的困难。骨骼肌示意图，来源：BruceBlaus研究团队勇敢的挑战了这一难题，首次成功测量了大型动物单根肌肉纤维的耗能情况。麻醉状态下，科学家们采集了来自6匹角马前肢的尺侧腕屈肌组织样本。作为对比，同一部位的肌肉纤维样本由7头来自英国农场的成年奶牛提供。经过一系列精心设计的实验，科学家们测出了角马的肌肉效率高达62.6%，也就是说，角马的肌肉可以将所获得能量的三分之二用于收缩，而仅仅产生相当于总输入能量三分之一的热量。肌肉能量产生动能的同时不可避免的产生热量和代谢废物，来源：作者自制角马超高的肌肉效率和超低的肌肉产热为它们提供了严酷条件下的超强适应性。由于肌肉产热低，角马无需耗费大量宝贵的水分来出汗降温，也因此获得了忍耐干渴的神奇能力。与此相对，比角马体型更大的奶牛（体重达到760kg，是角马的几乎四倍），肌肉效率反而只有41.8%。小型动物方面，不出所料，小鼠为34%，野兔为27%，都显著低于大型动物，这一结论与动物宏观移动耗能的规律完全吻合。科学探索永无止境，科学家们目前的研究重点已经放在了进一步揭示为何角马肌肉拥有如此特殊的性质上。大自然从来不缺天赋，每一个物种身上都可能有人类无法小觑的异能，发掘和认识自然界，将一直成为人类认识自我、完善自我、超越自我的绝佳途径。作者 | 张昊 大阪大学审稿 | 陆修远 大阪大学免疫前沿研究中心 特任研究员文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”