射水鱼成为“神枪手”的秘诀

唐子豪

射水鱼的水箭足以把虫子从树叶和树枝上射下来，以现在的物理学看来，是多么神奇啊。

最佳弓箭手

射水鱼广泛生活于河流与海洋的淡咸水交融处，它有一种奇特的行为：它们会猎杀“陆地上”的动物，以“枪打飞鸟”的方式捕食——这在鱼类中是极罕见的。

射水鱼银色背上黑色斑点重重，这让它们完全融入到茂密枝叶的斑驳光影里。它们静静地隐藏着，缓慢靠近在水面上休息的昆虫、蜘蛛或小蜥蜴，仔细定位自己的攻击目标。然后，闭紧它们的鳃，向毫不知情的猎物猛射水流，将猎物从水面栖息处打下来，成为盘中餐的猎物只能无奈地在水面扭来扭去。

自从这种鱼在250多年前第一次被发现以来，生物学家就已经知道射水鱼射出的水，就好比一个有力的拳头，但却难以解释原因。直到最近几年，世界各地的实验室才终于揭开了大自然最熟练弓箭手的秘密。

小小的鱼，强大的“导弹”

1764年，西方殖民者在印度尼西亚巴达维亚（现在的雅加达）发现了一种不寻常的、以昆虫为猎物的鱼。当时，一封寄给博物学家的简短信件中，这样写道：它有惊人的灵巧性，从管状嘴喷出一滴水，击中会飞的昆虫，使昆虫成为它的盘中餐。

那时，英国的鱼类学家和博物学家觉得这种鱼太离奇了，完全不相信这样的报道。因为一般是空中的动物，比如鸟类和蝙蝠会以鱼类为食，而水中的居民很少会在水面上搜寻猎物。当人们将射水鱼从红树林运往欧洲的水族馆后，人们才相信了原先的描述。从那时起，问题不再是它们能不能做到，而是变成它们是如何做到的？

在射水鱼的口腔中有一条沟，跟舌头恰好贴合成一个管子，舌头上下波动，水便会强有力地从管中像箭一般发射出去，并几乎能百发百中，所以它们是名副其实的神枪手。射水鱼体长一般不会超过10厘米。这么小的鱼，怎么能发射足以把昆虫击落或者蜇人脸的力量呢？

20世纪，生物学家们仔细观察了射水鱼，希望能找出线索。首先，他们对射水鱼进行了解剖，并称量其下巴的肌肉，还计算了相关数据。但所得结果却无法完全解释射水鱼“喷气式水”的力量。而1976年发表的一项研究表明，射水鱼肌肉产生的喷射力远远超过生物学家所记录的力量，这也暗示着还有一些谜底有待揭开。

生物学家的难题

有些研究者猜测，会不会是弹射机制呢？在这种情况下，肌肉缓慢地收缩所产生的能量会逐渐被储存在动物的另一身体部位——更为坚硬的部位，然后一下子释放所有的能量。这与人类射手释放弓的弦，射出弓箭时的情景相似，这也是变色龙弹舌的核心机制——利用舌头抓住如蝗虫、蟋蟀和稻飞虱等跳得很高的昆虫。但问题是，即使经过几次彻底的检查，研究人员也没有在射水鱼的骨架中发现这样的能量储存结构。

1986年，研究人员打算测量射水鱼的下巴肌肉在发射水流时产生的放电活动。如果存在弹射机制，鱼的一些肌肉会收缩，产生电荷，生成的能量储存在别处，然后在鱼射水的时候突然释放。但射水鱼的肌肉并没有以这种方式来收缩，因此弹弓机制的想法被放弃了。

生物学家被难住了。他们不知道的是，以解剖为基础来研究射水鱼，注定是要失败的。若要解开射水鱼的奥秘，需要其他科学领域的学者，比如物理学家。

物理学的解释

2012年，意大利米兰大学流体力学教授阿尔伯托·瓦伊拉蒂和他的同事们观察了射水鱼。他们感兴趣的不是鱼本身的结构，而是它们发射的“水箭”。在瓦伊拉蒂的实验室里，研究人员仔细地跟踪了鱼嘴射出的水的飞行过程以及水的水动力学。在这个过程中，他们终于揭开了水箭的神秘力量来自何处。

利用每一秒就可以拍1000张快照的高速摄像机，研究人员发现，射水鱼喷出水后，水的速度会随着时间的推移而增大。这就是说，离开鱼嘴之后的水，在通过空气后会比水刚离开鱼嘴时更快速。

这个观察结果很关键。在正常情况下，喷射的水通过空气后，不会简单地保持一个连续的长圆柱体，而是分离成更小的水滴来减小它的表面积——当你用水枪射击时，就可以看到这个过程。如果射水鱼的武器与水枪相似的话，那么很可能就无法打倒猎物了，因为猎物只会被“轻软无力”的小水滴打到。

而事实上射水鱼的“水枪”射出水时，由于后方的水滴比前面的水滴快，所以后方水滴将推动前方水滴，喷射流像是一个“水气球”，前端的水滴被后方喷射流持续、逐步地注入，然后它们合并在一起。以这种方式，前端水滴将发展成为一个喷射的大液滴。不管液滴的速度和大小是多少，它们都会在接近目标时得到增强，动量达到最大化。

最后的冲击相当于强劲有力的一击，能量密度可达3000瓦/千克。而脊椎动物肌肉的能量密度最高的只有大约500瓦/千克。射水鱼的秘密显然在它能控制水流，它身上没有任何特殊性质的肌肉或骨骼。

瓦伊拉蒂认为，射水鱼的方法是击中目标最有效的方法。

根据距离调节水枪

那么，射水鱼还有没有其他的奥秘呢？

2014年，德国弗赖堡大学的生物学者斯特凡·舒斯特在看完了瓦伊拉蒂的研究后，认为仍然存在一个重要的难题。他注意到在研究中每条射水鱼使用的训练目标——假猎物，距离水面都只有12厘米。但在野外，射水鱼的捕猎距离很长，最长甚至能达到2米。

它们是如何将自己的“水子弹”，瞄准这么远的距离的呢？这次，舒斯特期待着高速摄像机能给出答案。他利用一系列快照，研究发射水流时射水鱼的嘴。仔细检查这些图像，舒斯特和他的同事们注意到一些非常微妙，而且令人意外的情况。当生产水流时，鱼的嘴是在不断运动的，当水被喷射出时，它们的嘴会改变开口的大小。开始时，嘴巴逐渐变大，水可不受限制地吐出来。但之后，嘴巴就开始逐渐合拢了，开口变小，水流的速度变快！就好比你用手指堵住一部分水龙头时，水龙头水流的速度会变得更快一样。

通过调节“开关”机制，射水鱼可以微调后方水流的速度。如果射水鱼过了很久才合拢嘴巴的话，速度更快的后方喷水流将被延迟释放，所以后方水流需要更长的时间才能赶上前端水流。这是很有用的方法——可形成强大的超级液滴，击中更远处的目标猎物。

相反，如果目标猎物很近，射水鱼只需简单地提前合上嘴，就能形成超级大液滴。因此，无论多远，昆虫、蜘蛛和蜥蜴总能遭受到射水鱼喷水流的全部力量的攻击。

射水和人类投掷

正如人类祖先、灵长类亲戚利用木材和石头发明狩猎工具一样，射水鱼学到一种非常有用的射击技能：它们把水当成箭、子弹。而它们生活的世界充满子弹原材料，使得它们有无限的弹药储备。这让射水鱼非常好战，通常会连番射击，确保捕获猎物。

研究人员认为，射水鱼的射水有点类似于人类的投掷行为。人类可以调整投掷强度和方向，射水鱼也可以根据目标的距离来微调它们的射击水流。但是不同之处在于，人类投掷的石头在接近目标的过程中，由于受到重力和空气阻力的影响，速度会渐渐慢下来。而射水鱼的超级液滴反而会加速。

生物学家表示，射水鱼因射水活动而进化的神经元也可用于其他任务，比如根据光在水中的折射来定位目标位置、评估猎物可能会在水面何处停留……从射水鱼独特的狩猎方式来看，它们在鱼类之中堪称智者。