Bốn kiểu bơi của cá: từ lươn uốn cả thân tới cá ngừ chỉ vẫy đuôi

Cá bơi bằng cách đẩy một làn sóng uốn chạy dọc thân về phía đuôi, và các nhà sinh học chia cách bơi ấy thành bốn kiểu chính theo phần thân tham gia uốn: lươn uốn gần như cả thân (kiểu lươn), cá hồi, cá chép uốn nửa sau thân, cá thu, cá khế uốn chủ yếu một phần ba sau, còn cá ngừ giữ thân gần như cứng và chỉ vẫy chiếc đuôi hình lưỡi liềm. Càng về phía cá ngừ, cá càng bơi nhanh và bền ở biển khơi; càng về phía lươn, cá càng khéo luồn lách ở chỗ chật hẹp.

Một làn sóng chạy ngược chiều cá đi

Nhìn một con cá bơi chậm trong bể kính, ta thấy thân nó uốn qua lại. Nhưng nếu quay chậm, sẽ nhận ra đó không phải cá "vẫy" cả thân cùng lúc. Một khúc uốn xuất hiện gần đầu, rồi trôi dần về phía đuôi, lớn dần lên. Làn sóng ấy chạy về phía sau nhanh hơn tốc độ cá tiến tới. Mỗi đoạn thân nghiêng đi và đẩy nước ra sau, nước đẩy ngược lại, cá tiến lên.

Từ những năm 1920, nhà ngư học Charles Breder đã phân loại cách bơi của cá dựa trên việc phần nào của thân tham gia làn sóng đó. Sau này James Gray ở Cambridge đo đạc kỹ hơn bằng phim quay chậm, và nhà toán học James Lighthill dựng lý thuyết tính lực đẩy của một thân dài mảnh uốn sóng. Các tên gọi kiểu bơi vẫn dùng tên Latin của một loài tiêu biểu, nghe hơi khó nhớ, nhưng ý nghĩa rất trực quan.

Kiểu 1: kiểu lươn — cả thân là một làn sóng

Ở kiểu lươn (anguilliform, từ Anguilla là chi cá chình), gần như toàn bộ thân uốn với biên độ lớn, và trên thân lúc nào cũng có hơn một bước sóng. Lươn đồng, cá chình, cá chạch và cả rắn biển đều bơi theo kiểu này. Ấu trùng của nhiều loài cá, khi còn bé xíu, cũng bơi theo lối uốn cả thân.

Kiểu lươn không nhanh, nhưng có những cái lợi riêng. Nó cho phép bơi lùi chỉ bằng cách đảo chiều làn sóng. Nó giúp con cá luồn qua bùn, hang hốc, rễ cây, khe đá. Và nó khá tiết kiệm ở tốc độ chậm, hợp với những loài di cư đường dài như cá chình, vốn bơi hàng nghìn kilômét ra biển sâu để đẻ.

Kiểu 2 và 3: sóng dồn dần về phía đuôi

Nửa sau thân — cá chép, cá hồi

Ở kiểu thứ hai (subcarangiform), phần đầu và nửa trước thân gần như không uốn, sóng chỉ thực sự lớn lên ở nửa sau. Phần lớn cá nước ngọt quen thuộc như cá chép, cá rô phi, cá hồi, cá vược bơi kiểu này. Đây là kiểu "đa năng": tăng tốc tốt, rẽ khá gấp, bơi đường trường cũng được.

Một phần ba sau — cá thu, cá khế

Ở kiểu thứ ba (carangiform, từ họ cá khế Carangidae), sóng dồn hẳn về một phần ba cuối thân và cuống đuôi. Thân trước cứng hơn, cuống đuôi thon lại, vây đuôi chẻ sâu. Cá khế, cá thu, cá nục bơi theo cách này. Chúng bơi nhanh và bền ở vùng nước thoáng, đổi lại kém khéo hơn trong không gian chật.

Kiểu 4: kiểu cá ngừ — thân như ngư lôi, đuôi như lưỡi liềm

Kiểu cá ngừ (thunniform) là bước cuối của xu hướng trên. Thân dày, tròn, thon hai đầu như ngư lôi, gần như không uốn. Cuống đuôi rất mảnh và cứng, có gờ hai bên. Vây đuôi cao, hẹp, cong như lưỡi liềm trăng non. Toàn bộ lực đẩy đến từ cái đuôi ấy vẫy qua lại với tần số cao, hoạt động gần như một cánh nâng nằm dọc đặt dưới nước.

Cá ngừ, cá kiếm, cá cờ và một số loài cá mập như cá mập mako bơi theo kiểu này. Đáng chú ý là cá heo và cá voi, dù là thú chứ không phải cá, cũng có thân hình và đuôi hình lưỡi liềm rất giống, chỉ khác là đuôi chúng nằm ngang và vẫy lên xuống. Các nhà sinh học gọi đó là hội tụ tiến hoá: những con vật khác nguồn gốc đi đến cùng một hình dáng vì cùng giải một bài toán là bơi nhanh và bền ngoài biển khơi.

Bảng so sánh

Ngoài bốn kiểu dùng thân, còn những cá bơi chủ yếu bằng vây: cá nóc hộp chỉ vẫy đuôi trong khi thân là chiếc hộp cứng, cá ngựa rung vây lưng, cá đuối lượn vây ngực như dải lụa. Những cách bơi ấy được kể ở bài về cá đuối và mực nang.

Một con số chung cho mọi tay bơi giỏi

Đầu những năm 2000, nhóm của Graham Taylor (Đại học Oxford) gom số liệu về cá, cá heo, chim và côn trùng, và thấy một điều thú vị: hầu hết những con vật bơi hay bay ở tốc độ di chuyển thường ngày đều vẫy với một tỉ lệ gần giống nhau giữa tần số vẫy, biên độ vẫy và tốc độ tiến. Tỉ lệ này, gọi là số Strouhal, thường rơi vào khoảng 0,2 đến 0,4. Đó cũng là khoảng mà các thí nghiệm thủy động lực học cho thấy lực đẩy được tạo ra hiệu quả nhất.

Viết thành công thức: St = f × A ÷ v, với f là số lần vẫy mỗi giây, A là biên độ (khoảng cách đầu đuôi đi từ bên này sang bên kia), v là tốc độ bơi.

Tính thử

Một con cá vẫy đuôi 2 lần mỗi giây, đầu đuôi đi qua lại một đoạn 10 cm (0,1 m), bơi với tốc độ 0,7 m/s. Khi đó St = 2 × 0,1 ÷ 0,7 ≈ 0,29, nằm gọn trong khoảng hiệu quả. Nếu con cá ấy vẫy nhanh gấp đôi mà tốc độ không tăng, St ≈ 0,57: tốn sức hơn mà không được bao nhiêu. Các nhà thiết kế robot cá dùng chính con số này để chọn nhịp vẫy cho máy.

Tự quan sát

1. Đứng trước một bể cá cảnh hoặc hồ cá ở công viên, chọn vài loài khác nhau: cá chạch hay cá chình nếu có, cá chép, cá vàng, và nếu ở thủy cung thì các loài cá biển bơi nhanh.
2. Quay video bằng điện thoại ở chế độ quay chậm, giữ máy ngang, đặt sát kính để giảm lóa.
3. Xem lại từng khung hình: cá có uốn cả thân hay chỉ phần sau? Đếm xem trên thân lúc nào có bao nhiêu khúc uốn. Ghi lại để so giữa các loài.

Khi đến thủy cung, đừng gõ vào kính, không chiếu đèn flash. Với hồ ở công viên, giữ trẻ nhỏ cách xa mép nước và luôn có người lớn đi cùng.

Góc nhìn hôm nay

Hiểu kiểu bơi giúp đọc ra lối sống của con cá chỉ từ dáng người nó. Thân dài như sợi dây: sống luồn lách đáy bùn, hang hốc. Thân thoi, đuôi lưỡi liềm: lang thang ngoài khơi. Ngư dân lâu năm nhìn dáng cá là đoán được nó ở tầng nước nào, bơi đàn hay rình mồi. Kỹ sư thì đang làm robot cá để khảo sát rạn san hô, kiểm tra đường ống dưới nước mà ít làm xáo động môi trường hơn chân vịt. Muốn tìm hiểu thêm, có thể bắt đầu từ các bài phổ biến về cơ sinh học bơi lội (fish locomotion) trong giáo trình động vật học, hoặc các phim tài liệu thiên nhiên có cảnh quay chậm dưới nước.