为什么水里的鱼并没有进化出螺旋桨一般的结构？
posted on 09 Sep 2021 under category 自然科学
螺旋桨的运行其实并不是很高效。如果螺旋桨的旋转速度过快，它周围的水流就会被打断，一旦空气被绞入水流形成气泡，它们就会聚集在螺旋桨的尖端，削弱螺旋桨产生的推进力。对于船只来说，螺旋桨能够达到的最高效率也就只有60%-70%，而鱼类通过扭曲身体产生波流并顺流运动所能达到的游动效率甚至可以超过95%。鱼类采取的这种方式，可以帮助它们更有效率地躲避捕食者，并先于竞争者获取食物。
自然界生物中其实也存在在液体中旋转推进的结构。一些微生物（比如生活在我们肠道中的大肠杆菌）的身体末端长有鞭毛，这种类似于鞭子的结构能以令人惊叹的每秒几百转的速度旋转，以每秒600微米（每小时两米）的速度推动微生物在液体中移动。这个速度似乎并不快，不过先不要急着下结论。从另一个角度来看，这个速率相当于微生物每秒在液体中前进了相当于自身长度600倍的距离，如果换成人类，这个速度大约相当于每小时30千米，接近一个快跑者奔跑时的速度。
这可能会让我们疑惑为什么鱼类没有演化出类似的结构。但我们还得考虑到一点：微生物所处的环境和鱼类所处的环境有着很大的不同。
想象我们在一个标准泳池中游泳，不过这个泳池中的液体不是水，而是黏稠的糖浆。我们爬进这个黏稠的泳池，慢慢潜入。在完全浸没到糖浆中之后，我们开始尝试移动。可以想象的是，由于介质很黏稠，第一次向后划动手臂需要花费巨大的力气，在划动完成之后，我们只前进了一小段距离。为了继续前进，我们试图把手臂划到前方以开始下一组动作。然而，当我们把手臂划向前方时我们发现，手臂向前的运动产生了一个向后的推力，我们又被推回了原位。由此，我们最终会发现，无论我们多么努力地运动，我们始终还停留在原地，费力地在黏糊糊的液体中徒劳地前后划动手臂。
从微生物的尺度而言，这就是它们在水中运动时的真实写照。对它们来说，水就是一种黏稠的液体，鞭毛是这种生活环境下进化出来的一个特殊解。
——《生命的实验室》第4章