文：東海大學應用物理系
今年的搞笑諾貝爾物理獎頒給了美國佛羅里達大學生物系的James C. Liao教授，得獎的研究是「死掉的鱒魚還可以游多遠」……。
咦？死掉的鱒魚還可以繼續游啊？
這當然是頒獎單位為了製造效果所下的標題啦！其實廖教授做的研究是：「為什麼魚類可以用很高的效率游泳」。得獎理由說的「死魚游泳」，主要是發表在2004年9月的「實驗生物學期刊」（Journal of Experimental Biology），20年來廖教授持續這個問題的研究，一直到今年都還有相關的論文發表。
我們小時候都有讀過「偉人看到小魚逆流而上，於是立志長大要當偉人，後來真的變成偉人」的勵志故事，魚類在水中的游泳的能力確實令人驚奇。無論是逆流而上還是順水滑行，貌似都能輕鬆駕馭水流。2004年這篇主要的獲獎文章，就是探討鱒魚在流體動力學中的「卡門渦街」（Kármán vortex street）環境中，如何輕鬆的游泳，減少能量消耗。
卡門渦街是什麼呢？當流體經一個圓柱形障礙物時，會產生交替的渦流並且脫離障礙物兩側，在後方形成一條渦流鏈，稱為「卡門渦街」，因為這一現象由物理學家卡門（Theodore von Kármán）所提出。
廖教授的研究顯示，魚類能夠巧妙地利用卡門渦街來提高游泳效率。他用一個有圓柱體障礙物、可以調節水流速度的水槽來製造卡門渦街，然後把虹鱒放進去，發現鱒魚在渦街中會自動調整游泳模式，得到更高的能量效率，這種模式稱為「卡門步態」（Kármán gait，當然啦，魚類沒有腳，這裡所謂的「步」態指的是牠行進的姿態與動作）。
他用精密的肌電圖（EMG）記錄鱒魚在卡門步態中肌肉的活動狀態，發現「軸向」（前後向）肌肉活動顯著減少，只有位於體長的前40%的肌肉保持活動，而尾部肌肉則幾乎沒有活動，而以與渦流的脫落頻率（2.87 Hz）接近的頻率（2.21 Hz）擺動，可見在卡門渦街中，魚類的動作有一大半是被動的順著水流而行，減少了自身肌肉運動。
為了進一步驗證魚類在卡門渦街中多數的動作是被動的，廖教授進行了「死魚對照實驗」。把剛死掉的虹鱒用線綁著拖曳在渦街區域，觀察其動態（沒錯，死魚沒有在游泳啦！只是綁在那邊而已，又不是殭屍……）。結果顯示，死魚在渦街中產生類似活魚的擺動模式，且尾巴擺動的頻率（2.77 Hz）與渦流的脫落頻率更加接近（因為死魚完全是隨波逐流）。
不過死魚畢竟是死的，無法像活魚一樣微調自己的肌肉來維持身體的穩定，容易產生翻滾和不穩定的姿態，因此難以長時間在渦街中保持穩定。
比較死魚跟活魚在卡門渦街中的運動模式，證明了魚類在卡門渦街中的運動至少有一部分是被動被水推著走的，因此能夠減少能量的消耗，主要花的力氣是在微調動作於保持穩定方面。
這就是搞笑諾貝爾物理獎「死掉的鱒魚還能游多遠」的研究真正的內容，老實說是挺正經的，不過廖教授拿到這個獎，在頒獎典禮上也是笑得非常開心就是了！
圖片來源：東海大學應用物理系臉書
圖上：拿著鱒魚模型，開心領獎的廖教授（來源：美聯社）。圖下：（左）在圓柱形障礙物（上方圓形）後方，水流形成了卡門渦街（來源：維基百科）。（中）本次得獎的「死魚游泳」實驗，A：卡門渦街中的死魚動態，B：卡門渦街中的活魚動態，C：平靜水流中活魚的游泳動態。（來源：Journal of Experimental Biology）（右）一直到現在，廖教授依然致力於研究魚類的生理構造以及游泳效率之間的關係。本文獲東海大學應用物理系授權轉載，原文刊登於此
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責任編輯：蕭汎如核稿編輯：翁世航