翅膀，為了天空的進(jìn)化

熙積

物競(jìng)天擇，適者生存。達(dá)爾文說過，優(yōu)勝劣汰是地球生物生存和演變的基本規(guī)則。幾億年下來，很多古老的生物都已經(jīng)滅絕了，可有一些物種經(jīng)過多重演化、繁衍生息后，卻進(jìn)化出不同種類的后代。

研究表明，翅膀其實(shí)是大自然賦予動(dòng)物延續(xù)生存的法寶，會(huì)飛的動(dòng)物在進(jìn)化和生存方面有諸多的優(yōu)勢(shì)。在殘酷的進(jìn)化史中，大自然一次又一次地發(fā)明了各種各樣的翅膀，小到昆蟲大到翼龍，許多動(dòng)物都能從飛行中受益。

通往生存之路

翅膀在物種多元化繁衍中發(fā)揮了巨大作用。科學(xué)家第一次在3.25億年前的巨型蜻蜓化石中發(fā)現(xiàn)了翅膀，隨后的化石的研究結(jié)果表明，從那時(shí)開始，從產(chǎn)生翅膀開始，昆蟲的物種多樣性就爆發(fā)了。

其他的例子還有：當(dāng)今唯一會(huì)飛的哺乳動(dòng)物蝙蝠的種類，竟然占了所有哺乳動(dòng)物種類的五分之一之多！而鳥類已被證實(shí)是唯一在史前大型動(dòng)物大規(guī)模滅絕中，幸存下來的恐龍的后代。

研究表明，會(huì)飛的動(dòng)物不僅能夠通過飛行逃離捕食者，還會(huì)從飛行中演化出許多有利的生理優(yōu)勢(shì)。比如，由于翅膀的存在，鳥類感知世界的速度是人類的兩倍！而蝙蝠甚至可以通過聲音在大腦中繪制詳細(xì)的3D地圖。

翅膀有什么機(jī)密？

昆蟲是自然界中最敏捷的飛行者，它們可以在空中盤旋，還可以向后飛行，短時(shí)間內(nèi)能非常快地加速。最近，科學(xué)家們終于揭開了它們高超的飛行技術(shù)背后的秘密！

越小的飛行昆蟲的飛行機(jī)制越復(fù)雜。軀體小可不一定是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檐|體小的同時(shí)翅膀也小。那么，小翅膀的升力如何而來呢？為了能夠在空中飛行或停留，昆蟲必須快速地扇動(dòng)自己的小翅膀，但這會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的脈沖跟不上翅膀的節(jié)奏;對(duì)比來看，大型飛蟲，如蝴蝶或大黃蜂，它們每一次翅膀的扇動(dòng)只需要一個(gè)神經(jīng)脈沖，所以能夠更好地保持神經(jīng)信號(hào)和肌肉的同步。因此，對(duì)于較小的昆蟲來說，翅膀的控制要復(fù)雜得多。

除了引起更快的翅膀扇動(dòng)，小昆蟲還進(jìn)化出了其他的軀體優(yōu)勢(shì)。比如說，與其他部位的肌肉相比，翅膀周圍的肌肉纖維組織非常對(duì)稱，這樣有助于增強(qiáng)翅膀的沖擊力，并能利用空氣中局部壓力的變化來提高自身的升力，在向后飛行和在空中盤旋等飛行技術(shù)方面都會(huì)做得更好。

“恐龍變成鳥”

昆蟲并不是唯一從陸地進(jìn)化到空中的物種。大約1.5億年前，被稱為“世界上最大的鳥”的始祖鳥也是從陸地進(jìn)化而來。

長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論始祖鳥是不是鳥。許多專家認(rèn)為，化石清楚地表明了這種生物有羽毛翅膀，所以它們是鳥類。另一組專家則認(rèn)為，它們有牙齒和尾骨，這是所有陸生恐龍的特征。因此，生物學(xué)界曾經(jīng)將始祖鳥一度定義為恐龍和鳥類之間的一種進(jìn)化生物，并不會(huì)飛。

現(xiàn)在，美國(guó)俄亥俄大學(xué)的科學(xué)家們有了新的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家研究了一億四千七百萬年前的始祖鳥頭骨，通過1300張X光片，他們利用計(jì)算機(jī)重建了這種動(dòng)物大腦的3D版本。計(jì)算機(jī)模型顯示始祖鳥的大腦容量為1.6毫升，這個(gè)容量大約是同等體型爬行動(dòng)物大腦容量的三倍！此外，3D影像顯示了它們的耳道以及大腦的視覺中心很寬，竟然和現(xiàn)代鳥類的一樣大！

由于找到了大腦發(fā)育良好的證據(jù)，幾乎所有的科學(xué)家都一致認(rèn)為始祖鳥確實(shí)能夠飛行，盡管它可能不是一個(gè)非常敏捷的飛行員。

哺乳動(dòng)物也能飛

大約在5000多萬年以前，唯一會(huì)飛的哺乳動(dòng)物——蝙蝠產(chǎn)生了，哺乳動(dòng)物也成了世界上會(huì)飛的最后一個(gè)物種。

蝙蝠專門在夜間行動(dòng)，在漆黑的夜里，它們通過聲音和大腦中的記憶來導(dǎo)航。為此，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的大腦研究人員對(duì)蝙蝠在黑暗中的導(dǎo)航能力進(jìn)行了研究。他們?cè)隍鸬拇竽X中植入了小型傳感器，然后把它放到一間設(shè)置有障礙的房間里，以觀察蝙蝠通過障礙物時(shí)大腦里的活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蝙蝠的大腦有存儲(chǔ)功能，它們的腦中存有周圍環(huán)境的靜態(tài)地圖。科學(xué)家將這種靜態(tài)地圖形容為大腦中縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格線。當(dāng)前方有障礙物時(shí)，即會(huì)觸碰到其中的一條網(wǎng)格線。這時(shí)，蝙蝠大腦中相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)被激活，為蝙蝠提供障礙物在地圖上的具體位置。而當(dāng)蝙蝠的頭部與目標(biāo)物體處于特定的角度，難以立即定位時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞也會(huì)發(fā)出信號(hào)，繪制出目標(biāo)物體所處的詳細(xì)位置，重新編制網(wǎng)格地圖。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，蝙蝠有時(shí)會(huì)發(fā)出幾種超聲波信號(hào)，強(qiáng)烈的信號(hào)使它們能夠“關(guān)注”特定的物體，這對(duì)于它們?cè)诿艿纳种卸惚苷系K物，或者尋找食物有很大的幫助。

因此，蝙蝠具有與鳥類相同的超靈敏感官，但由于蝙蝠依賴于感知能力，所以它們可以在黑暗的掩護(hù)下捕獵。此外，它們的大腦有繪制大片區(qū)域并儲(chǔ)存這些區(qū)域的能力，使得它們能夠飛很遠(yuǎn)的距離，以便找到大量食物，從而保障了第一批會(huì)飛的哺乳動(dòng)物的生存和繁衍。

翅膀與人類發(fā)明

翅膀可不僅僅能造福鳥類，它們對(duì)于人類的發(fā)明創(chuàng)造同樣重要！

鳥類大腦研究所的尼爾斯·伯格最近發(fā)表聲明，鳥類在飛行時(shí)可以睡覺，甚至可以達(dá)到理想的快速眼動(dòng)睡眠階段。研究表明，它們是通過一次只用一邊大腦半球睡眠的方式來做到這一點(diǎn)的。恰好，由于人類睡眠不足在當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)日益嚴(yán)重的問題，尼爾斯希望能通過研究鳥類的睡眠方式，給人類提供一個(gè)更好地解決睡眠不足的方法。

荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的科學(xué)家們?cè)诟脑鞜o人機(jī)機(jī)翼時(shí)，也受到了昆蟲的飛行穩(wěn)定性的啟發(fā)。對(duì)果蠅翅膀的研究發(fā)現(xiàn)，在翅膀受到嚴(yán)重?fù)p傷的情況下，它們依然可以通過改變翅膀扇動(dòng)的頻率來留在空氣中。按照這個(gè)原理，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出了一款攜帶特定功能的機(jī)翼，和果蠅一樣，即使受到了損傷，仍然可以留在空中。

另外，對(duì)蝙蝠的飛行形態(tài)及膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，有助于可變形微型飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

蝙蝠翼既不同于大多數(shù)昆蟲的輕質(zhì)“膜+脈”結(jié)構(gòu)，也不同于鳥類的前肢“羽翼”結(jié)構(gòu)，而是由上肢骨骼和翼膜構(gòu)成的“翼身一體化”構(gòu)造（翼膜從脖子一直連接到腳踝）。蝙蝠的手指長(zhǎng)、多關(guān)節(jié)，翼由超過40個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)和附在上的一張柔軟的薄膜組成，因此自由轉(zhuǎn)換方式可多達(dá)30種，即翼的變形極大。

由于這些啟發(fā)，英國(guó)南安普頓大學(xué)和帝國(guó)理工學(xué)院的科學(xué)家成功地設(shè)計(jì)出了一種新型薄膜可變的機(jī)翼。利用這種機(jī)翼可以制作出微型無人機(jī)，并且還可以飛得更高。

（劉誼人摘自《大科技》2019年第6期）