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御风而行

时间:2013-06-18 17:23来源:《新发现》 作者:瘦驼 点击:
人类本质上是一种运动能力极端退化的动物,与人个头相仿的动物,绝大多数都能在运动场上让人输到无地自容。不过,虽然游不过海豚,跳不过羚羊,甚至跑不过大熊猫,好歹我们还
 

人类本质上是一种运动能力极端退化的动物,与人个头相仿的动物,绝大多数都能在运动场上让人输到无地自容。不过,虽然游不过海豚,跳不过羚羊,甚至跑不过大熊猫,好歹我们还对可以这些竞技说重在参与,而有一种运动能力,却是长久以来只能在大脑中YY才能拥有的:飞行。

自从人类拥有了想象力而成其为人以来,“飞行之梦”就一直萦绕于整个历史,然而在这条时间长河的绝大多数瞬间里,我们的祖先能做到的只是仰天长叹,看看那些潇洒的飞行动物。

更具有讽刺性的事实是:现今地球上大多数的动物都会飞,这一点恰恰因为人类自己不属此列而被忽视。要知道,已知的昆虫种类多达百万之巨,还有至少400万种尚未命名,加起来占地球现存动物物种的78%,其中不会飞的种类只有寥寥数万种。就数目而言——据科学家估计——此时此刻,有1019次方个(也就是1千亿亿个)会飞的虫子与你我共同生活在这个不怎么大的星球上。当然,这些昆虫往往被视而不见,就连它们高超的飞行技术也不过最近才得到人的关注。

剩下的飞行动物也同样数量庞大,其中的主力就是鸟。现存为我们所知的鸟类有9600多种,远多于人类所属的哺乳动物(只有4000多种)。即便是在哺乳动物中,会飞的动物数量也远远多于人们的想象,哺乳动物中的飞行家蝙蝠就有990种之多。另外,在遥远的中生代,还生活着大量会飞的爬行动物——翼龙,它们中有些种类是有史以来最大的飞行动物。

这四大类占据了飞行动物的绝大部分名单。

什么叫“飞”

要探究动物飞行的奥秘,先要界定飞行的概念。首要的,飞行是一种克服地球引力的运动方式,一只跳蚤跳得再高,它并不想用任何方式来产生哪怕一丁点儿的升力,所以它仍然只是在跳,不叫飞;其次,飞行应当是一种主动的行为,一条被龙卷风卷到大街上的鱼显然不能被认为是飞行动物;最后,飞行应该是一种可控的运动方式,失足跌下悬崖的人,不管他是主动还是被动,或者他伸展双臂作出超人状,那顶多算是“跌得好看”,与飞无关。

有了这个框架,我们就可以定义动物飞行的种类了。

滑降/滑翔:如果仅仅是依靠重力作为飞行的动力,就要归为此类。在这种情况下,前进的距离小于下降的高度,也就是滑翔角大于45度时,称为滑降。如果技艺再高超些,滑翔角小于45度,就可以称为滑翔了。这可能是最简单的飞行方式之一。

扑翼飞行:这是最为人知的飞行方式——动物通过不断扇动翅膀产生升力和推力,从而能持续的飞行。

展翅翱翔:翱翔,很多人将其与扑翼飞行混为一谈,的确,很多翱翔飞行的动物本身也是扑翼飞行者,但两者间有着截然不同的空气动力学原理。

从帆船好手起家

当你在花园里驻足观察那些胖胖的蜜蜂在花丛中起起落落,或者在厨房手拿蝇拍对着狡猾的苍蝇无可奈何时,你一定认同以下观点:把飞行家这个名号冠于昆虫身上是当之无愧的。昆虫不仅是规模最为庞大的飞行者家族,也是地球上最早掌握这项技术的先驱者。人们在距今3.5亿年前的石炭纪地层中发现了最早的有翅昆虫的化石,而这,仅仅发生于第一批动物登上陆地的7000万年后。

地球上的第一次飞行是个什么场景?这一历史性的时刻早已消失在岩层之中,不过,如果你足够幸运的话,在暮春时节的某一天,来到一条清澈溪流旁,会看到那一幕的再现。因为当年第一批飞行者的后代仍然活跃在我们的星球上,它们就是蜉蝣。现存的蜉蝣大约有2500种,多数是体长1厘米左右的小虫,它们有两对透明的翅,前翅大而后翅小。《诗经•国风•曹》中有一首诗专门描写这种小虫的翅¬¬:蜉蝣之羽,衣裳楚楚。心之忧矣,于我归处?蜉蝣之翼,采采衣服。心之忧矣,于我归息?这种小虫的著名特性是成虫不进食,寿命很短。中国古人早就注意到这一点,形容它“不饮不食,朝生暮死”。几乎同时代,亚里士多德命名其“短促”,这一希腊词演化到英语就是ephemeron,为蜉蝣的统称。

蜉蝣生命的绝大多数时间生活在水中,以藻类为食,当它们准备好繁殖,便爬出水面,在水边的植物上蜕皮,成为有翅的成虫。这些获得新生的小虫子并不急于飞行,多数时候会聚集在水面上,伸展双翅,在微风的吹拂下于水面上滑行。当时机成熟,便风中舞动,在空中完成婚配。不久,雌虫产卵,刚刚脱离水面不过十几小时的蜉蝣们再次落回小溪,这也意味着它们个体生命的终结。公元3世纪的文学家郭义恭在他的《广志》中这样描述:“蜉蝣在水中翕然生,覆水上,寻死,随流而去。”

目前,多数昆虫学家认为,最早的昆虫也像蜉蝣一样,是从水面滑行演化到飞行的,最早的翅应该是风帆,而非机翼。而翅的起源在科学界已经有了比较公认的理论——它源于水生昆虫幼虫的羽状鳃,这种生在体壁两侧的鳃在蜉蝣的水中生活阶段发挥了巨大的作用。这种推测得到了分子生物学的佐证,德国分子生物学家麦卡利斯•阿维洛夫(Chalis Averof)和斯蒂芬•柯恩 (Stenphen M. Cohen)早在1997年发表的一篇文章中指出,控制翅膀发育的几个关键基因在其他无翅节肢动物中调控羽状鳃的发育。

昆虫的翅是一个工程学奇迹:一片几丁质的薄层,没有任何骨骼和肌肉的支撑。几丁质是构成昆虫外壳的多糖分子,说起来与淀粉、植物纤维同属一家。这种物质本身柔软而坚韧,在这方面碳纤维复合材料都无法与之相比。几丁质中贯穿着翅脉,它们是液压管道,正是这些液压管道让昆虫的翅膀有了足够的刚性来满足飞行时巨大的应力考验。与鸟、蝙蝠的翅膀一样,昆虫翅膀的剖面上端弯曲下端平直,这使得空气流过翼面时产生升力。不过如果你要以为昆虫的飞行不过如此,那就大错特错了。

昆虫与其他任何飞行动物的标志性的区别,在于它们扇动翅膀时高得惊人的速度——蜻蜓一般为每秒200次,而蚊子和马蜂则能高达每秒1000次。想想看,把一辆汽车的油门踩到底,怒吼的引擎也只有每分钟数千转而已。不仅如此,如果逐格回放高速摄像机拍摄的昆虫飞行影像,你会惊奇地发现,昆虫扑翼可不简单是上下运动,它们翅膀的“攻角”(也就是翅膀平面与气流的角度)处于时时变化中,而从侧面观察,昆虫的翅膀其实是在划八字形。直到最近,人们把昆虫放进风洞好好研究了一番才发现,其实这些小家伙的翅膀是在空气中制造涡流,依靠这些可控的涡流,它们的翅膀在向下和向上拍动时都能产生升力,这是鸟与蝙蝠绝对无法做到的。现代航空界中对可控涡流的研究和应用只不过是最近十几年的事,这还多亏了超级计算机的帮助。一只小蜜蜂借助这些涡流,产生达到其体重3倍的升力,而向前的推力则是体重的8倍之多,与之相比,一架战斗机的推力/重力比能达到2就可以笑傲江湖了。这样你就不难理解,为什么苍蝇能在空中做出令人匪夷所思的急转弯了。

当然,这一切代价也相当高昂,飞行是件十分费力的活儿,一只果蝇飞行1小时就要消耗掉体重的10%。当然,果蝇使用碳水化合物作为动力来源,这有点儿不太划算,其他很多昆虫直接利用脂肪作为“燃料”,便让航行经济性大为改观。所以你绝对不能小看昆虫的能力,一只小小黑脉金斑蝶能以每天150公里的速度连续飞行3000公里,完成从北美到中美洲的长途迁徙。

逍遥而生

长途迁徙,在昆虫界是少数勇士才敢尝试的壮举,而在鸟类中则是家常便饭。2007328日,一只斑尾塍鹬悄悄降落在黄海海滨,鸭绿江口。这只体长不过40厘米的水鸟绝对值得大家起立鼓掌,因为根据固定在身上的卫星定位装置显示,它不间断飞行了9天,从遥远的新西兰北岛泰晤士河口而来,总行程达到了10200公里,这是迄今为止鸟类不着陆飞行的世界纪录。

鸟为什么这么能飞?可以说它们就是为了飞翔而生的。看一只鸟,首先映入眼帘的自然就是那满身羽毛。现存动物中,只有鸟类长着羽毛,被归为四种基本类型:体羽、绒羽、翼羽和尾羽。体羽就是覆盖鸟类身体表面的那种小型羽毛,主要作用是塑造鸟光滑的流线形身体;绒羽则是人们用来填充枕头和被子的那种细小羽毛,作用当然是保温隔热;翼羽是飞行的关键,也叫飞羽,只存在于鸟的翅膀上,它是不对称的,有助于形成上弯下平的翼面;而尾羽则通常是对称的,起到舵的作用。如果用放大镜仔细观察,你会发现飞羽的边缘绝非光滑,而是布满小勾,这让飞羽与飞羽之间牢固链接,如同尼龙快搭扣一样,让整个翼面结成整体。

鸟的翅膀形状也千差万别,长短宽窄各不相同,这都是鸟根据自己的生存条件量身定做的。翅膀长度和宽度的比在航空学上称为“展弦比”,展弦比越大的翅膀飞行阻力越小,但是机动性越差,所以那些不需要经常改变飞行方向的鸟的翅膀大多细长,比如信天翁,它翅膀的展弦比达到了25,而麻雀的展弦比只有5——带着一对冗长的翅膀在树丛里穿来穿去显然太不方便了。翅膀的尺寸也是很有讲究的,升力和阻力都与翼面积和速度平方的乘积成正比,所以这类大翅膀的鸟往往是不需要快速飞行的。猛禽或许是个例外,它们也都有一双巨大的翅膀,同时需要快速俯冲来捕猎。这不要紧,鸟翅膀与飞机翅膀最大的不同在于它灵活可变。游隼在俯冲时将翅膀完全收起,整个身体好似一枚炮弹,这让它的极端速度达到了每小时400公里。而需要长距离飞行的动物翅膀相对都比较小,比如天鹅,这让它们飞行的阻力更小,但伴随而来的弊端是起飞更困难,需要在水面或地面上长距离助跑获得初速度。大翅膀的鸟则要潇洒许多,翼展3米以上的信天翁或者康多兀鹫只需要从它们位于悬崖顶端的巢中跳入蓝天就可以自由翱翔了。

确实,翱翔是所有飞行中最逍遥的一种。伟大的庄子在《逍遥游》中有对扑翼飞行和翱翔的精彩解释。学鸠讥笑大鹏:“我决起而飞,枪榆枋而止,时则不至而控于地而已矣,奚以之九万里而南为?”扑翼飞行与展翅翱翔是完全不同的两种飞行方式,难怪“学鸠”无法理解。翱翔与滑翔也不一样,看起来都是不扇动翅膀,实则滑翔是屈服于地球引力,而翱翔则是借助外力无视地球引力。翱翔又分为静态翱翔和动态翱翔,前者借助热气流——太阳加热地面,裸露的岩石或土壤由于比热容低,升温更快,于是加热了近地面的空气,而热空气比重小,于是便上升,形成上升气流。这些上升气流好像肉眼看不见的螺旋形山峰,秃鹫、兀鹫和很多猛禽正是借助这些热气流长时间停留在高空。而动态翱翔则要借助稳定的迎面气流,大洋上风带提供了这种条件,信天翁和许多其他海鸟就可以在风里一飞数日不用扇动一下翅膀,正像庄子笔下的列子,“御风而行,泠然善也”。

庄子对翱翔的本质有着深刻的理解,《逍遥游》中说:大鹏鸟要向南海迁徙时“抟扶摇而上者九万里,去以六月息也”,这正是海鸟翱翔要借助特定时节信风的写照。以及“风之积也不厚,则其负大翼也无力”,非洲草原上的秃鹫总是在近午时分才纷纷飞上九天,正是等待热气流的足够“厚”。

然而,第一只鸟儿并不逍遥,反倒看起来很笨拙。目前公认鸟类起源于1.5亿年前一类两脚行走的小型兽脚类龙。近年来中国辽西地区不断出土的长羽毛的恐龙和原始鸟类化石证明了这一点。

恐龙是如何飞起来变成鸟的?学术界争论颇多。最早的观点认为最早的鸟一定是从树梢上滑翔下来的,像今天的鼯鼠一样,怀疑者拿出两点反驳的证据:首先,这些原始鸟类的爪子适合奔跑却并不适于爬树;其次,如果滑行可以演变为扑翼飞行,那为何鼯鼠经过这么多年演化也没有一飞冲天?

第二派观点认为最早的鸟像今天的鸵鸟,只会跑不会飞,翅膀的用处是用来辅助奔跑,如果你曾经试图抓住一只鸡,那一定会对快速逃跑的鸡那扇动的翅膀印象深刻。这个理论在事实面前是站不住脚的,漏洞在于即使现今不会飞的鸟的祖先都曾经飞翔过。更重要的一点是,自下而上总比自上而下更费力,因而也更加不太可能。

还有一派也认为鸟是从地面升到空中的,不过以肯•戴尔(Ken Dial)为代表的这批生物学家对原始翅膀的功用有着不同的理解,他们认为原始的翅膀是用来让奔跑的原始鸟类爬陡坡用的,此观点来自于他们对一种现代鸟类——石鸡进行的观察和研究。

不管是哪种理论,除了少数“顽固派”,绝大多数古生物学家都认同鸟类的恐龙起源说。甚至,他们中的很多认为,可以把鸟看成恐龙的延续,毕竟两者之间有太多太多共同之处。所以,你想重回侏罗纪?那就去观鸟吧。

复制风神

早在第一只恐龙飞起来之前,地面上就已经出现过巨大的带翅膀的阴影,这是翼龙留下来的。翼龙其实不是恐龙,它们是与恐龙并列的大家族。翼龙家族早先都是中小型的飞行动物,而后与恐龙一样,走上了大型化的道路。白垩纪,地球的天空中前无古人后无来者的最大动物出现了,这就是风神翼龙,又名披羽蛇翼龙。化石出土于美洲的这种中生代怪物,翅膀展开有12米之巨,与一辆公交车相仿。想象一下一只飞行的长颈鹿,这是何等的壮观景象。

这么庞大的动物是怎么飞起来的,古生物界和航空界吵得不可开交,多数认为风神翼龙同现代的信天翁相仿,是驾驭气流的翱翔高手。由于化石证据还不够充分,所以很多研究者把视线投向了复制翼龙。当然不是像《侏罗纪公园》那样,他们尝试用现代材料构造翼龙模型,进行放飞实验。这种实验自上世纪80年代开始一直在进行,突破却很少,以翼龙细弱的骨骼支撑如此之大的翅膀,这对现代工程学还是个不小的挑战。

夜行蝙蝠侠

翼龙的翅膀是连接前后肢的巨大皮膜,这一点与现代的蝙蝠十分相像。蝙蝠是唯一会扑翼飞行的哺乳动物,它的历史相比上面几种要短得多。迄今发现最古老的蝙蝠化石不过是56千万年前形成的,而在这“短短”的时间里,蝙蝠的家族几乎扩张到了整个地球除了个别偏远岛屿之外所有有树的地方。蝙蝠的种类数量都超乎人们想象,这多半是由于它们善于躲藏,并且只在夜间行动。自古以来,除了在中国因为谐音“福”而获得了部分认可之外,在其他各国文明中这种暗夜飞行家都有着不太好的名声。其实单就飞行技巧而言,蝙蝠理应得到人们的尊重。它的翅膀几乎没有肌肉,是由两层皮肤组成的,布满了弹性纤维和血管。普通蝙蝠翅膀皮膜的厚度仅有0.04毫米,与超市塑料购物袋相仿,但强度高得多。更令人称奇的是皮膜还有很强的自我修复能力,一旦不慎被刺破,伤口很快便会愈合。

相比它们的体型,蝙蝠的体重很轻。以已知现存最大的蝙蝠——菲律宾果蝠为例,这种翼展达到1.5米的大个儿体重只有不到1.5千克。即便如此,飞行仍然相当耗费体力,在飞行时,蝙蝠的心率常可达每分钟1000次,呼吸频率也有每分钟200次。为了节省体力,它们即便置身温暖的环境中也会进入类似冬眠的状态,让代谢率下降。

蝙蝠似乎飞不快,也飞不高,更飞不远,但以精确著称。鸟类控制翅膀只有两对大肌肉,蝙蝠却有九对。构成蝙蝠翅膀的骨骼含钙量很低,因而特别柔软,其横截面也由圆形变成长方形,这使得整个“骨架”的延展性更强,加之蒙在骨架上的皮膜比普通哺乳动物的皮肤柔韧得多,这样一来整个“翅膀”充满了弹性,绝非鸟翅那样僵硬。这对柔软的翅膀让蝙蝠成为了在空气动力学上最完美的一类飞行动物。在2007511日出版的美国《科学》杂志的封面文章中,几位来自德国、瑞典和美国的科学家也证实了这一点。因此,蝙蝠可以飞进极其狭窄的缝隙,这使得洞穴成了它们主要的安身之所。

蝙蝠远非最早飞行的哺乳动物,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所客座研究员孟津与该所胡耀明、王元青、汪筱林和李传夔在我国内蒙古宁城发掘出一具完整的哺乳动物化石。化石显示这种松鼠大小的动物有着与现代鼯鼠十分相似的结构,而时间却可以追溯到1.25亿年之前,这种动物被命名为远古翔兽。远古翔兽滑翔的模样,今天可以在许多哺乳动物身上看到,它们分别是生活在澳大利亚的考拉的近亲袋貂和袋鼯,分布在东南亚雨林中的鼯猴,以及分布在亚洲的鼯鼠,也就是小学课文里的寒号鸟。这三类动物各自在不同的时期演化出了类似的滑翔技巧,可见飞行对所有的动物都有巨大的吸引力。

另类飞行家

鱼离不开水,这是常识。所以让鱼飞入空中,必须要有不得已而如此的理由,逃命,自然算一个。全世界有50多种飞鱼,全部生活在海洋中,它们的胸鳍极端发达,也演化出了上弯下平的剖面。当有捕食者追击时,它们会跃出海面展开胸鳍,一般来说滑翔350米不成问题。最近有人拍到一段视频,显示一条飞鱼连续滑翔了45秒之多,距离超过200米。空气阻力只有水阻力的1/800,跃入空中避开敌人的飞鱼想来感觉十分轻松。

电影《无极》中的“人肉风筝”现实中是否存在?至少在蜘蛛的世界里,这是相当普遍的飞行方式。许多种类的蜘蛛刚孵化出来,就会寻找制高点,比如一棵小草的顶端,然后向天空中喷出一条丝线,之后转身,爬上丝线,让风把它们带到远处。这可以让它们分布得更分散,避免同胞兄弟为着一点食物资源互相竞争。乘坐热气球的科学家曾经在6000米高空捕捉到飞行的蜘蛛,虽然已经冻僵,不过只要温度回升就会重新活泛起来。真是好风凭借力,送我上青云。

飞行动物的名单里,我们还要加上软体动物的名字,几种太平洋枪乌贼会像飞鱼那样跃出水面逃生,在空中它们还会喷出液体,靠反作用力提高飞行速度和距离,这种火箭式飞行乃动物界独一无二。

还有两栖动物中的蛙,比如黑蹼树蛙,伸展开巨大的脚蹼,可以让它们从一棵树滑翔到另一棵树。

爬行动物里自有继承了翼龙伟大衣钵的,许多种蜥蜴和壁虎可以靠蹼,或者极度扩张的肋骨撑开的身体滑翔。没有脚的蛇也不甘示弱,东南亚丛林中的天堂树蛇靠着拉扁的身体像一条丝带一样在树梢间滑翔,不但一次能飞100多米,还能在空中转个弯。

这份名单目前还没能给人类增设一个位置,对于17世纪才借助热气球初尝克服重力的美妙滋味的这种动物来说,他们如今在某种意义上确实已经成为了飞得最快最高的,但,那是借助身外之物。



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