躍龍門的小魚：沒水了，躍不動了！

在夏威夷，每天都能看到彩虹和云霧繚繞的壯觀山景，以及眾多大大小小從懸崖上傾瀉而下的瀑布。如果你有興趣登上瀑布的頂部，你會在水中發(fā)現(xiàn)身長不到10厘米的刺鰭魚在清澈的水中游蕩。

這種魚，當(dāng)?shù)厝擞H昵地稱呼它們?yōu)?/span>O’opu。這樣渺小的魚兒，卻是依靠自己強大的力量，沖破幾十米甚至上百米的瀑布攀爬而至的。

它們簡直就是傳說中會“跳龍門”的魚啊！

O'opu逆流而上 | oceana.org

它們是怎么往上“跳”的呢？

夏威夷島的刺鰭魚的攀爬技術(shù)非常高超。在幼魚返回瀑布之前，它們會在入海口逗留一段時間，更換應(yīng)對激流的裝備——口部和腹部吸盤狀的鰭片。口部獨特的吸盤是幼蟲顱部變態(tài)發(fā)育而成，在36小時內(nèi)，原本小巧的下唇會變成一個大的吸盤。而腹部吸盤則是由腹鰭融合而成。

一旦準(zhǔn)備就緒，它們就開始向瀑布進(jìn)發(fā)，借助口部和腹部吸盤與巖石之間的粘附吸力，使身體牢牢地吸在瀑布間的巖石表面。在吸附時，吸盤狀的鰭片會排除掉多余的水，從小碗狀變平，密封于濕潤的巖石表面。

在攀爬過程中，需要多強的吸力，才能在重力和水流沖力作用下而不會跌落呢？這與巖石的傾斜角度有關(guān)系。當(dāng)傾斜角度為60°時，吸力達(dá)到體重的1.25倍即可；而傾斜角為90°時，吸力要達(dá)到體重的2.02倍。此外，刺鰭魚需要具備持續(xù)性或間歇性維持粘附吸力，只有如此，它們才能完成逆瀑布之旅。

刺鰭魚的嘴部、胸鰭以及腹部吸盤

生活在夏威夷的攀爬瀑布刺鰭魚有三種，分別為Awaous guamensis，Lentipes concolor，Sicyopterus stimpsoni。有趣的是，雖然它們同樣生活在夏威夷，攀爬著同樣的瀑布，但卻采取了不同的攀爬方式。

其中，Awaous guamensis，Lentipes concolor兩種刺鰭魚是力量爆發(fā)型攀爬者，它們采用快速間歇性地爆發(fā)前進(jìn)。它們開始攀爬時，胸鰭快速內(nèi)收，然后向上移動，在用腹部吸盤重新附著到巖石之前，進(jìn)行幾次高振幅的快速循環(huán)，一鼓作氣“鯉魚打挺”一般向上竄，能夠竄出12個自己那么長的距離。

而Sicyopterus stimpsoni則通常被描述為緩步型攀爬者，采用連續(xù)的寸步而上方式。它們通過交替地將腹部吸盤和另一個口部吸盤(其他物種沒有)吸附在巖石上，緩慢地爬上瀑布，雖然一次只能前進(jìn)一點點，但是維持時間卻比較長。

雖然兩種攀爬方式在細(xì)節(jié)方面明顯不同，但是推進(jìn)速度卻是差不多的。

力量爆發(fā)型攀爬者Awaous guamensis的腹鰭 | ecologyproject

為什么刺鰭魚要跳龍門？

生物功能進(jìn)化的多樣性，與所處自然環(huán)境的生理需求息息相關(guān)。一些極端環(huán)境，會對其中的生物提出更特別且嚴(yán)峻的生理要求。

夏威夷經(jīng)常遭遇嚴(yán)酷的自然災(zāi)害，從火山活動到颶風(fēng)造訪，都會使島上的水流發(fā)生強烈的擾動，包括小溪和瀑布，對于體型微小的刺鰭魚來說甚是不太平。為了生存繁衍，它們采用了洄游的生活模式，以降低自然災(zāi)難來臨時發(fā)生滅絕的風(fēng)險。

它們在高海拔的淡水溪流中孵化，然后被水流沖到下游的海洋中度過幼蟲時期。在那里，它們充分利用海水中的營養(yǎng)物質(zhì)喂養(yǎng)自己，直到三到六個月后，它們會向淡水小溪遷移，并在到達(dá)瀑布頂部棲息地時產(chǎn)卵。

然而，在它們克服水流的沖擊進(jìn)入上游區(qū)域的過程中，從來都是不容易的。在接近瀑布時，它們會從水中來到空氣中，這種在兩種物理區(qū)別如此之大的環(huán)境介質(zhì)間的轉(zhuǎn)變，身體支撐和運動的模式都有巨大區(qū)別。

例如，在它們熟悉的水環(huán)境中，浮力抵消了部分重力，而在空氣中，由于浮力消失，它們需要更多的能量克服身體的重力。此外，當(dāng)他們從水中出來，逆流瀑布而上時，它們將運動模式從游泳改為了攀爬。因此，為了成功地攀上瀑布產(chǎn)卵，它們需要有效的策略以克服重力以及自上而下的水流產(chǎn)生的沖力，而如此強大的攀爬能力，正是這種嚴(yán)苛的自然環(huán)境選擇的結(jié)果。

緩步型攀爬者Sicyopterus stimpsoni | NSF

自然界環(huán)境的差異，也讓不同能力的動物有了各自擅長的技能。在地質(zhì)活動豐富、氣候變化多端的夏威夷，即使都是瀑布，下面的“底子”也是有差別的。這些瀑布的基底，可能會影響它們的攀爬性能。在瀑布水流的沖擊下，巖石表面是非常光滑的，而新近形成的火山巖石則比較粗糙。這兩種不同的地形，恰好就對應(yīng)了前面說到的兩種攀爬策略——寸步型的更擅長光滑的巖石，而爆發(fā)型的則擅長粗糙的火山巖。

寸步型攀爬者依賴于吸盤對巖石的吸力，粗糙表面會削弱吸盤對表面的吸附能力，進(jìn)而減弱攀爬能力。相反，爆發(fā)型攀爬者在攀爬時會用胸鰭推開基底，因此粗糙表面能為胸鰭提供更好的支點。

曾有研究者對三種攀爬刺鰭魚在不同粗糙程度的表面的攀爬行為進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)爆發(fā)型的Awaous guamensis在粗糙表面攀爬的速度是光滑表面速度的10倍，而在光滑的表面上，它的速度反而低于寸步型刺鰭魚。

三種刺鰭魚在不同粗糙表面的速度差異 | 參考資料[2]

雖然刺鰭魚的攀爬性能在自然演化過程中變得如此不同，但是卻都成功地完成了適應(yīng)自然的任務(wù)。可謂殊途同歸，異曲同工了。

夏威夷的山水，對它們很重要

夏威夷人給堅韌強悍的攀爬者起了一個很可愛的名字——O’opu。O’opu在夏威夷具有重要的歷史和文化意義。此物種既是夏威夷原住民的食物來源，也是他們宗教儀式的一部分。

一共有五種O’opu生活在夏威夷，其中四種是夏威夷獨有的物種，在世界上的任何其他地方都未曾發(fā)現(xiàn)過。O’opu是唯一原產(chǎn)于夏威夷的淡水魚，與其他自然奇觀類似，它們都與山脈影響降雨模式的方式有關(guān)。

一共有五種O’opu生活在夏威夷 | honolulu.gov

首先，瀑布需要充沛的水才會流動，而刺鰭魚們的攀爬，也非常依賴濕潤的巖石表面，所以水流的特性對它們攀爬瀑布是很重要的因素。理想的河流條件，包括長期穩(wěn)定流動的水。以前的觀察表明，在夏威夷的各個溪流之中，由暴雨引發(fā)的洪流是對O’opu幼蟲幼魚們發(fā)出的重要信號，通知這些游弋于海洋沿岸的生靈們可以向上游遷移的時機(jī)已到。

夏威夷群島上的大部分降雨，來自“地形雨”。以夏威夷為例，由海上吹來的攜帶水汽的風(fēng)，被島上的山提升至高處，海拔降低、溫度下降，濕潤的水汽便形成了降雨。比較而言，這些島嶼周圍的海域年平均降雨量為25英寸，而島嶼上的山脈，則將降雨量提高了16倍。它們落在山頂上，向O’opu攀爬的溪流和瀑布提供水。從古至今，島上的地形降水過程是可靠而連續(xù)的，晝夜更迭，冬夏交替，年復(fù)一年。

地形云（orographic cloud）| rainfall.geography.hawaii.edu

不過，由于人類引起的氣候變化，它們都可能處于危險之中。

夏威夷人口的增加正在威脅O’opu的水流棲息地——而為了保護(hù)它們繼續(xù)生存下去，需要對這一問題進(jìn)行管理和研究。在某些情況下，人類為了保護(hù)財產(chǎn)不受洪水影響或灌溉農(nóng)作物，會對河流進(jìn)行改道或疏導(dǎo)，而這兩種行為都減少了河流的流量。

此外，夏威夷的降雨量在過去30年里全面下降，相關(guān)研究表明，熱帶島嶼地形降水賴以存在的復(fù)雜云層過程對風(fēng)速很敏感，而過去30年降雨量的減少，與信風(fēng)強度的減弱有關(guān)。全球變暖不僅僅讓兩極融化、海平面升高，也將顯著地改變洋流，牽一發(fā)動全身。

此外，大氣中稱為氣溶膠的微小顆粒也能影響地形降水。來自自然或人類的氣溶膠在大氣中無處不在，其對大氣中云層的影響，是未來氣候預(yù)測中最大的不確定因素之一。

夏威夷群島未來的平均降雨量預(yù)計會減少 | 參考資料[5]

小小的刺鰭魚，在夏威夷風(fēng)起云涌十幾萬年的時間范圍內(nèi)，演化出了驚人的爬瀑布的能力——攀爬瀑布這種技能，不是一蹴而就的。或許，它們也會不斷地適應(yīng)環(huán)境的改變，畢竟夏威夷當(dāng)初也只是光溜溜的、寸草不生的火山石。

然而問題在于，我們?nèi)祟悓ψ匀粠淼淖兓?、太迅速、太無法預(yù)測了。地球氣候的變化會影響大氣、影響洋流，改變驅(qū)動降雨的過程，影響水流的強度，然后再影響到河流物種及其棲息地，最后是那些順著瀑布往上攀爬的小魚。

水流的變化將影響O'opu跳龍門 | NSF

或許，所有這些轉(zhuǎn)變，都需要我們的密切關(guān)注——自然界的所有過程都是息息相關(guān)的，牽一發(fā)而動全身。但從好的角度想，對自然哪怕微小的一點改善，也可能會收獲碩大的善果，現(xiàn)在開始還不晚。

我們也愿意繼續(xù)陪伴這些神奇的動物，或許它們身上，也有能啟發(fā)我們發(fā)明創(chuàng)造的關(guān)鍵呢——如果我們能夠發(fā)明出可以跳瀑布的船，也說不一定？

參考資料：

[1] Alison Nugent. Can Hawaii’s waterfall-climbing fish survive when mountain rains change? https://massivesci.com/articles/hawaii-waterfalls-fish-clouds-climate-change/

[2] R. W. Blob1 , R. Rai2 , M. L. Julius2 & H. L. Schoenfuss2. Functional diversity in extreme environments: effects of locomotor style and substrate texture on the waterfallclimbing performance of Hawaiian gobiid fishes. doi:10.1111/j.1469-7998.2005.00034.x

[3] doi:10.1242/jeb.072967

[4] https://doi.org/10.1016/j.zool.2019.02.001

[5] Oliver Elison Timm, Thomas W. Giambelluca, Henry F. Diaz. Statistical downscaling of rainfall changes in Hawai‘i based on the CMIP5 global model projections. https://doi.org/10.1002/2014JD022059

作者：Vivian