在武侠片中,经常会出现在水面上奔跑的武林高手,这是传说中的轻功。15世纪的发明家达芬奇为我们留下了水上行走工具的素描图,似乎从古代开始,人们就对水面行走抱有很大的兴趣。在生物界,有一些生物可以在水面行走,甚至能够在水面上奔跑。这些生物是如何实现水面行走的呢?
在美洲中部的森林里生活着一种皇冠鬣蜥(Basiliscus sp.)。这种蜥蜴体重大约为2~500克,但却能够在水面上迅速奔跑而不下沉。据了解,能在水面奔跑的蜥蜴还有其他几种,但一出生就行的只有皇冠鬣蜥。皇冠鬣蜥一般生活在水边,擅长游泳或长时间潜于水底,而展示其惊人的水面奔跑功夫,是在它逃避鳄鱼或蛇等捕食者的时候。
体重几十克的皇冠鬣蜥,可以用后脚以每秒约1.5米、20步的速度前进。
由于《圣经》里有关于基督教徒在水面行走的记录,于是,在中美洲,人们将这种能在水面行走的皇冠鬣蜥亲切地称为“Jesus Christ Lizards”(基督蜥蜴)。那么,皇冠鬣蜥为什么可以在水上奔跑呢?简单来说,皇冠鬣蜥的奔跑方法就是在身体下沉之前脚向前再迈一步。虽说如此,水毕竟是流体,一般情况下,动物想要在水面行走或奔跑,会因水面无法支撑体重而下沉。
所以说,要实现水面行走,关键是怎样获得支撑身体的力。那么,皇冠鬣蜥在水面奔跑的时候,水面上到底发生了什么?
仔细研究皇冠鬣蜥的水面奔跑方法后发现,它使用后脚快速重复这四个步骤:拍击水面、将脚向下放至水中、向后划水、抬脚往前落。在皇冠鬣蜥这样奔跑的过程中,有三种力作用于它的身体。首先发挥作用的是脚从上方拍击水面的瞬间产生的“冲击力”。这种向上的力支撑着身体,在被拍击的水加速结束之前的一瞬间发挥作用。
拍击的力量越大,水的加速度越大,而且,脚的面积越大,搅动的水越多。比冲击力稍晚一会儿产生的力叫做“浮力”。高速旋转拍打的脚将水推开,水面以下会出现一个蜥蜴身体长度的柱状旋涡,像是将脚包围住。由于这个气柱的存在,浮力产生了。就像是按下水面的洗脸盆底,洗脸盆会感受到一种向上顶压的力,这种浮力的道理是一样的。但是,这个凹陷会立刻恢复,浮力也就随之消失。
紧随浮力之后产生的力叫做“流体动力”,即划水时的抵抗力,与划水速度的平方成正比。该力主要产生于脚往下往后划的过程中,成为身体向上方的支撑力和向前的推动力。在上方发挥作用的支撑力加上之前的浮力,正好超过支撑体重所需要的力。最后,皇冠鬣蜥之所以不会沉水,是因为脚在后面不断划水,在迈出下一步之前身体要下沉的一瞬间,被脚拍击水面瞬间产生的“冲击力”和“浮力”及向上的“流体动力”支撑住。
最重要的是,这种拍击水面的巨大力量能够快速并连续地产生。另外,皇冠鬣蜥的脚掌和脚趾很长,脚趾中间有蹼。这些蹼在脚拍击水面时会伸展开,而当脚离开水面时又会合拢。这样,就会放大脚下压水面时的流体动力,减少离开水面时的阻力。同时,为了更强烈地拍击水面,皇冠鬣蜥会使身体扭曲,让脚大幅度扭转。所以说,皇冠鬣蜥不会下沉靠的是它惊人的脚上功夫。