Biomechanics of rheotaxis in six teleost genera

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Abstract

Biomechanical, behavioural, and morphological adaptations affecting lift and drag on tropical stream fish (five loricariids and one gyrinocheilid) are analyzed. The drag on fish attached to a surface is directly measured for the first time, allowing the lift coefficient to be inferred. Mean drag coefficients (0.2–0.9, based on projected frontal area) are 2 to 30 times the equivalent frictional coefficients for laminar flow for smooth blisters attached to a surface. Fineness ratios (total length / maximal height, l/h = 6.7–9.0), flattening (maximal body width / maximal height, b/h = 0.9–2.0), and lengthening (distance from end of rostrum to maximal height / total length, x/l = 0.17–0.22) are similar to optimal values for technical bodies of low drag (smooth blisters attached to surfaces: 10, 2, and 0.3 for l/h, b/h, and x/l, respectively). The station-holding ability of Gyrinocheilus aymonieri (Tirant, 1883) (closed oral sucker) is compared with that of the loricariids (open oral suckers) using live and dead slipping velocities (Vlive and Vdead; water velocity at which live and dead fish first move backwards against the current, respectively) measured on a smooth Perspex® surface. Gyrinocheilus aymonieri has the greatest station-holding ability (Vlive = 59.1 cm·s−1, Vlive − Vdead = 45.7 cm·s−1). Fish with high Vdead and low Vlive − Vdead values rely more on frictional devices (e.g., spines and odontodes) for station-holding than on oral suction (e.g., fish of the genera Otocinclus Cope, 1871 and Hypostomus Lacépède, 1803), whereas those with low Vdead and high Vlive − Vdead values place a greater emphasis on suction (e.g., G. aymonieri and the genus Pterygoplichthys Gill, 1858). Stream fishes maximize slipping speed through high densities (1.06–1.15 g·cm−3), high frictional coefficients (0.12–1.2 on a Perspex® surface), and high rheotactic suction pressures (26–173 Pa). In addition, a negative lift coefficient of −0.5 is calculated for the genus Chaetostoma von Tschudi, 1846.

Les adaptations biomécaniques, comportementales et morphologiques qui affectent la poussée et la traînée ont été étudiées chez des poissons tropicaux (cinq loricariidés et un gyrinochéilidé). Pour la première fois, la traînée d'un poisson attaché à une surface a pu être mesurée directement, ce qui a permis de déduire le coefficient de poussée. Les coefficients moyens de traînée (0.2–0.9, basés sur la projection de la surface frontale) équivalent à 2 à 30 fois les coefficients de friction équivalents dans un flux laminaire pour des ampoules lisses attachées à une surface. Les rapports de ténuité (longueur totale/hauteur maximale, l/h= 6.7–9.0), d'aplatissement (largeur maximale du corps/hauteur maximale, b/h = 0.9–2.0) et d'allongement (distance du bout du rostre au point de hauteur maximale/longueur totale, x/l = 0.17–0.22) sont semblables aux valeurs optimales de corps techniques à faible traînée (ampoules lisses attachées à une surface; valeurs respectives de l/h, b/h et de x/l de 10, 2 et 0.3). Nous avons comparé la capacité de Gyrinocheilus aymonieri (Tirant, 1883) (ventouse orale fermée) de rester sur place à celle des loricariidés (ventouse orale ouverte) d'après les vitesses de courant de détachement des poissons vivants et morts (Vlive et Vdead; vitesses auxquelles des poissons respectivement vivants et morts commencent à glisser vers l'arrière contre le courant) sur des surfaces lisses de Perspex®. Gyrinocheilus aymonieri possède la capacité la plus grande de se maintenir sur place (Vlive = 59.1 cm·s−1; Vlive – Vdead = 45.7 cm·s−1). Les poissons qui possèdent des valeurs élevées de Vdead et des valeurs basses de Vlive − Vdead utilisent plus des structures de friction (par ex., des épines et des odontodes) pour se maintenir sur place que la succion orale (par ex., les Otocinclus Cope, 1871 et les Hypostomus Lacépède, 1803), alors que les poissons avec des valeurs basses de Vdead et des valeurs élevées de Vlive − Vdead utilisent plus la succion (par ex., G. aymonieri et les Pterygoplichthys Gill, 1858). Les poissons d'eau courante maximisent leur vitesse de détachement à l'aide de leur forte densité (1.06–1.15 g·cm−3), de leurs coefficients de friction élevés (0.12–1.2 sur une surface de Perspex®) et par leur importante pression de succion rhéotactique (26–173 Pa). De plus, chez les Chaetostoma von Tschudi, 1846, le coefficient de poussée négative est évalué à −0.5.

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