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黑腹歧须鮠(Synodontis nigriventris),俗名倒游鲶鱼,是一种来自非洲热带淡水河流的小型鲶鱼。它只有3到7厘米长,身体光滑,没有夸张的硬刺。白天,它喜欢躲在水草、树枝下面休息;到了夜里才出来活动。水里缺氧时,它还能到水面“换气”,属于可以辅助空气呼吸的鱼类。

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它所在的属有部分生物能够倒游。

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Synodontis batensoda

大多数鱼都是肚子朝下游,它却常常肚子朝上,在水面附近慢慢巡航。

那它为什么非要倒着游?研究者提出3种假说,为了获取水面食物,减少能量消耗,还有伪装。

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倒游鲶鱼的食物大多集中在水面,比如浮游生物、昆虫幼虫和有机碎屑。倒过来之后,嘴巴正好贴近水面,张口就能刮食,比正着游再抬头去啄要省力得多。实验也发现,只要改变食物的位置,倒游的频率就会跟着改变。这说明,食物分布是推动它倒游的重要原因。

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除了吃,倒游还更省力。它的身体结构和浮力分布有点“偏心”,天生就容易产生向上的翻转趋势。与其费劲把身体纠正过来,不如顺势倒着游,反而更稳定。部分同属物种靠大鱼鳔提供浮力,另一些则在体内储存较多脂肪来调节浮力。总之,它们的浮力中心和重心搭配得刚刚好,让倒游成为一个稳定姿态,而不是“翻车”。

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在水面活动时,倒游还有水动力学优势。水面会产生额外阻力,但它倒游时身体前端更“尖”,水流更顺,阻力比正游更低。在需要长时间贴着水面巡游、呼吸、觅食时,这种节能效果就很关键。

更有意思的是,它的大脑并不会强行把身体“纠正”回正位。虽然它的内耳结构和普通鱼一样,但神经系统可以重新设定平衡基准,让倒着游也变成“正常状态”。需要贴底活动时,它也能马上转回正游,非常灵活。

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它的体色也和普通鱼相反。一般鱼是“背深腹浅”,从上往下看不容易被发现。倒游鲶鱼却是“腹深背浅”。当它倒着游时,深色的腹部正好朝向下方昏暗的水体,浅色的背部贴近明亮的水面,这样上下两个方向的捕食者都不容易发现它。这种“反向保护色”,正是为倒游服务的。

所以,倒游鲶鱼不是特立独行,也不是行为异常。它只是把“怎么吃得更轻松、怎么躲得更安全、怎么游得更省力”这三件事做到了极致。倒着游,对它来说,才是最合理的姿势。

题目:

非洲的黑腹歧须鮠(Synodontis nigriventris)的倒游行为非常独特,研究人员想探究倒游是否有独特的水动力学优势。研究者通过实验测定了正游、倒游两种姿势下,鱼体受到的水流阻力随水深的变化,结果如图1(A为正游组、B为倒游组,不同符号代表不同水流速度,实验数据均具有统计学意义)。

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(1) 由图1可直接看出,无论正游还是倒游,鱼体受到的水流阻力均随水深的增加呈现______的趋势。

(2) 结合图1分析,倒游鲶鱼倒游姿势的低阻力优势并非在所有水深中都存在,判断依据是______。

倒游鲶鱼的近缘物种Synodontis batensoda是典型倒游鱼类,研究者为探究食物位置对其倒游行为的影响设计实验,结果如图2(横轴为实验天数,纵轴为姿态占比,区分 “喂食时” 与 “非喂食时”,含 “仅表层食物”“仅底层食物” 两组数据)。

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(3) 图2中 “仅表层食物” 组的实验处理是______,目的是模拟该物种自然状态下的表层摄食环境。

(4) 结合图 2数据趋势分析,当食物仅分布在底层时,Synodontis batensoda的倒游占比随实验天数呈现______的变化,这说明其倒游行为可随食物位置灵活调整。

(5)歧须鮠属(Synodontis)的分布演化与非洲地质事件密切相关,研究者通过祖先分布重建(图3为基于RASP的贝叶斯二元MCMC分析结果,节点编号对应不同演化分支,括号内为替代重建结果)探究其历史扩散路径。

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图3中节点旁标注的“NS”“C”“T”等字母代表非洲不同的鱼类地理区,这些字母的核心作用是明确各演化分支的__________。

(6) 结合图2的重建结果,歧须鮠属的祖先种群先分布于尼罗-苏丹区(NS),后扩散至刚果区(C),这一扩散过程的实现,依赖于两地间存在__________。

答案

(1) 逐渐降低(且深水区域阻力趋于稳定)

(2) 近水面浅水区,倒游组的阻力明显低于正游组;在较深水区,两种姿势下鱼体受到的阻力无明显差异

(3) 仅提供漂浮食物(不提供底层食物)

(4) 逐渐降低(或从初始约 30% 降至 15 天的 5% 以下)

(5) 分布区域(或地理分布)

(6) 连通的水文通道(或未被地理屏障隔离,或可相互连通的河流/水域)

参考文献

1.Blake R W, Chan K H S. Swimming in the upside down catfish Synodontis nigriventris: it matters which way is up[J]. Journal of Experimental Biology, 2007, 210(17): 2979-2989.

2.Meyer D L, Platt C, Distel H J. Postural control mechanisms in the upside-down catfish (Synodontis nigriventris)[J]. Journal of comparative physiology, 1976, 110(3): 323-331.

3.Pinton A, Agnèse J F, Paugy D, et al. A large-scale phylogeny of Synodontis (Mochokidae, Siluriformes) reveals the influence of geological events on continental diversity during the Cenozoic[J]. Molecular phylogenetics and evolution, 2013, 66(3): 1027-1040.

4.Willoughby N G. The buoyancy and orientation of the upside‐down catfishes of the genus Synodontis (Pisces: Siluroidei)[J]. Journal of Zoology, 1976, 180(3): 291-314.

5.Ohnishi K, Ogawa Y, Takahashi A, et al. Comparative study of otolith organs between two species of upside‐down swimming catfish Synodontis nigriventris showing converse swimming postures[J]. Acta Zoologica, 2004, 85(3): 201-209.

参考图片

https://www.inaturalist.org/observations/184943887

https://www.inaturalist.org/observations/254412028