在表面之下,解决统计噩梦正在解决统计噩梦

海豚显然不是高尔夫球。然而,许多科学家认为一个物体在水中和另一个物体在空气中滑动的原因是相同的:表面结构的相似性以及它们对阻力和运动的影响。

7月17日发表在《皇家学会生物学快报》(Royal Society Biology Letters Journal)上的一项突破性的新研究颠覆了这种想法,它表明,至少就海豚而言,它是建立在错误的假设和测量基础上的。“海豚有多光滑?”生物学教授乔治·v·劳德(George V. Lauder)与人合著了《牙托菌的脊皮》(The ri脊skin of odontocetes)一书。

从流体动力学的角度来看,过去的比较背后的理由是合理的。兰黛说:“高尔夫球有酒窝。“这是因为如果你有合适的表面粗糙度,你可以极大地减少阻力,让球飞得更远。”

这一假设源于1936年发表的一项研究,英国动物学家詹姆斯·格雷爵士(Sir James Gray)在该研究中提出了后来被称为“格雷悖论”(Gray’s paradox)的假设,他的理论是,只有海豚皮肤的某些特殊品质,才能让它游得像海豚一样快。然而,格雷只研究了海洋哺乳动物的刚性模型,他的发现在一定程度上是基于“关于肌肉如何在游泳时产生力量的一个有缺陷的想法,”温赖特说,他是一名博士后,也是这篇新论文的第一作者。

早期对海豚皮肤的研究似乎支持格雷的观点,因为大多数样本都显示出脊状,这被认为是减少阻力的关键。然而,这些样本中的许多已经从海洋哺乳动物身上移除,因为它们的皮肤会起皱纹。温赖特、兰黛和他们的同事们知道,他们必须通过研究活体动物的皮肤,来更近距离地观察皮肤的实际功能。

温赖特说:“观察活体动物皮肤的动力很大程度上来自于思考动物游泳时在皮肤表面的实际感受。”“虽然表面和皮肤是很大的屏障,但它们的质地和粗糙度很容易改变。想想我们的指尖表面,当我们在水里泡得太久,就会起皱纹,或者像我妈妈说的那样,变得“修长”。兰黛换一种说法:活的皮肤“处于紧张状态”,也就是说,肌肉和脂肪被拉伸得很紧,而不是缩在一起,产生皱纹。

“即使动物表面的微小差异也会影响它们与周围液体的相互作用。这意味着我们真的想用尽可能精确和准确的方法捕捉到栩栩如生的表面纹理,”温赖特说。

为此,研究小组使用了一种新的建模技术,将一种高保真的模塑化合物涂在活体动物的一小块皮肤上,就像液体邦迪或橡皮泥一样。然后,他们通过基于凝胶的轮廓测量技术建立了一个三维模型,从表面测量数据中挖掘数据,创建这些表面的微型地形图。一项更早的研究观察了活海豚的皮肤,但未能进行如此精确的测量或建模。

该小组与加利福尼亚大学、圣克鲁斯大学、西切斯特大学和海洋世界的研究人员合作,成功地为几只宽吻海豚、白边海豚、虎鲸、领航鲸和白鲸建立了皮肤模型,这些海豚都曾接受过短暂上岸进行常规兽医护理的训练。这些海洋哺乳动物的皮肤(被安全地放回水中)与其他游泳者的皮肤进行了比较,比如鳟鱼和蝠鲼。结论是,虽然一些海洋哺乳动物有一些脊,至少在它们身体的部分,但大多数没有。

兰黛说:“在大多数情况下,海豚非常非常光滑。”

为什么要花这么长时间才能进行准确的测量?关于海豚的普遍观点可能阻碍了研究。“对人类来说,海豚就像神奇的生物,”劳德说。“它们很漂亮,也很友好,人们想知道它们有什么特殊的属性,能让它们在海里游得那么好。其中一个误解是皮肤表面纹理。但这是错误的。”

他说,海豚和鲸鱼之所以能游得那么好,完全是出于一些非常普通的原因。“他们很强壮。他们非常精简。它们尾巴上的肌腱的排列方式给了它们很大的推力。只是和皮肤没有太大关系。

“大自然,”兰黛总结道,“已经找到了多种方法来快速穿过水面。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/theory-that-ridged-skin-helps-dolphins-debunked/

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