自然科普:為什么魚要低著頭游泳?
發(fā)布時間:2022-11-07
瀏覽次數(shù):633

版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),請聯(lián)系我們

為什么魚要低著頭游泳?

是因?yàn)轭^太大,重心過于靠前?

還是因?yàn)閷︻佒挡蛔孕?,只想低調(diào)一點(diǎn)?

圖片

其實(shí)都不是。

一項(xiàng)新研究證實(shí),它們只是不想被周圍事物打擾,只想“活得更穩(wěn)”一點(diǎn)......

這其實(shí)與人走路時可能會低頭看人行道是同一個道理。

相關(guān)研究論文以“Optic flow in the natural habitats of zebrafish supports spatial biases in visual self-motion estimation”為題,已發(fā)表在科學(xué)期刊 Current Biology 上。

圖片

“不要打擾我”

該研究首次將斑馬魚(Zebrafish)的大腦、原生環(huán)境和空間變化的游泳行為的多個模擬整合到一個計(jì)算模型中。

模型分析結(jié)果表明,這種在向前游泳時也向下看的“怪癖”只是魚類的一種適應(yīng)性行為。

就像在逆流游泳時那樣,魚類通過這種進(jìn)化來保持身體穩(wěn)定。

當(dāng)水流動時,魚會努力試圖保持穩(wěn)定以停留在原地,而不被流動的水流沖走。
如果它們在水中東張西望地游動,就會得到一種正在移動的錯覺。

如果它們低頭看著河床游動,就能更好地判斷當(dāng)時的游動方向和速度。

圖片

對此,該論文的第一作者和通訊作者、美國西北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授 Emma Alexander 表示:

“就像坐在一節(jié)靜止的火車車廂內(nèi),如果旁邊的火車開始駛離車站,你就會誤以為自己也在移動?!?/p>

“來自另一列火車的視覺暗示,超越了你在正靜坐的事實(shí)。”

也就是說,對于游動的魚來說,周圍有很多誤導(dǎo)性的運(yùn)動信號,而最可靠的信號是來自河底。

圖片

走,去印度

為了搞清楚這一問題,Alexander 團(tuán)隊(duì)及其合作者研究了斑馬魚(一種被廣泛研究的模式生物)。

雖然許多實(shí)驗(yàn)室都有斑馬魚,但他們還是希望在原生環(huán)境下開展這一研究。

“最近發(fā)現(xiàn),魚對下方運(yùn)動的反應(yīng)比上方運(yùn)動更強(qiáng)烈。我們想要深入挖掘這個謎團(tuán),并了解其中的原因?!?/p>

“原生棲息地塑造了它們的大腦和行為的進(jìn)化,我們需要回到源頭,調(diào)查這種生物發(fā)育的背景?!?Alexander 解釋道。

于是,他們帶著拍攝設(shè)備,來到了印度。

圖片

他們走訪了印度的七個地點(diǎn),并收集了斑馬魚自然生活的淺水河流的視頻數(shù)據(jù)。

他們將一個 360 度相機(jī)裝入一個防水潛水箱中,并將其連接到一個遙控機(jī)械臂上,然后用機(jī)械臂將相機(jī)投入水中并移動它。

Alexander 說,“我們把‘眼睛’放在了魚眼睛應(yīng)該在的地方,所以我們看到的是魚看到的東西?!?/p>

“從視頻數(shù)據(jù)中,我們能夠模擬假想場景,模擬魚在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中任意移動。”

圖片

斑馬魚:等等我?。?/strong>

回到實(shí)驗(yàn)室后,Alexander 團(tuán)隊(duì)及其合作者還追蹤了斑馬魚在一個 LED 球內(nèi)的運(yùn)動。

因?yàn)轸~的視野很大,所以它們不需要像人那樣移動眼睛來四處看。

于是,他們通過燈光給出運(yùn)動刺激,然后觀察魚的反應(yīng)。

觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)魚缸底部出現(xiàn)圖案時,魚會隨著移動的圖案游動。

這就表明,魚是通過向下看來獲取視覺線索的。

“如果你播放帶有移動條紋的視頻,魚就會隨著條紋移動?!?/p>

“就好像它們在說,‘等等我’,我們計(jì)算了它們的搖尾節(jié)拍,它們搖動地越厲害,就越想跟上移動的條紋。”

他們從視頻中提取數(shù)據(jù),并將其與運(yùn)動信號如何被編碼到魚的大腦中的數(shù)據(jù)相結(jié)合。

然后,他們將數(shù)據(jù)集輸入兩種用于研究光流(或我們眼睛或相機(jī)鏡頭觀察到的運(yùn)動)算法中。

最終,他們發(fā)現(xiàn),在野外和實(shí)驗(yàn)室兩種情況下,斑馬魚在向前游動時都是向下看的。

圖片

圖|斑馬魚幼蟲的游動是由下部視野信號驅(qū)動的。(來源:該論文)

于是,Alexander 等人得出了文章開頭提到的結(jié)論:

魚類向下看是為了理解周圍環(huán)境的運(yùn)動信號,然后通過游泳來避免被流動的水沖走。

水面在不斷移動,其他魚類和植物也在移動。魚最好忽略這些信息,專注于更下面的信號。

河床有很多紋理,所以魚可以看到它們可以跟蹤的強(qiáng)烈特征。

此外,研究團(tuán)隊(duì)也表示,這一研究結(jié)果不僅讓我們對魚類的行為有了一些了解,還可以為人工視覺系統(tǒng)和復(fù)雜的仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供信息。

“如果你正在制作一個以魚為靈感的機(jī)器人,你只看它的解剖結(jié)構(gòu),你可能會想‘它的眼睛朝向一邊,所以相機(jī)也要朝向一邊’。”

但事實(shí)證明,魚把眼睛向一邊看是在平衡任務(wù),向上看是為了捕獵,向下看是為了游泳。

參考資料:

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01617-7




歡迎掃碼關(guān)注深i科普!

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動和科普好物!

聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。
做科普,我們是認(rèn)真的!
掃描關(guān)注深i科普公眾號
加入科普活動群
  • 參加最新科普活動
  • 認(rèn)識科普小朋友
  • 成為科學(xué)小記者