翅膀，为了天空的进化

熙积

物竞天择，适者生存。达尔文说过，优胜劣汰是地球生物生存和演变的基本规则。几亿年下来，很多古老的生物都已经灭绝了，可有一些物种经过多重演化、繁衍生息后，却进化出不同种类的后代。

研究表明，翅膀其实是大自然赋予动物延续生存的法宝，会飞的动物在进化和生存方面有诸多的优势。在残酷的进化史中，大自然一次又一次地发明了各种各样的翅膀，小到昆虫大到翼龙，许多动物都能从飞行中受益。

通往生存之路

翅膀在物种多元化繁衍中发挥了巨大作用。科学家第一次在3.25亿年前的巨型蜻蜓化石中发现了翅膀，随后的化石的研究结果表明，从那时开始，从产生翅膀开始，昆虫的物种多样性就爆发了。

其他的例子还有：当今唯一会飞的哺乳动物蝙蝠的种类，竟然占了所有哺乳动物种类的五分之一之多！而鸟类已被证实是唯一在史前大型动物大规模灭绝中，幸存下来的恐龙的后代。

研究表明，会飞的动物不仅能够通过飞行逃离捕食者，还会从飞行中演化出许多有利的生理优势。比如，由于翅膀的存在，鸟类感知世界的速度是人类的两倍！而蝙蝠甚至可以通过声音在大脑中绘制详细的3D地图。

翅膀有什么机密？

昆虫是自然界中最敏捷的飞行者，它们可以在空中盘旋，还可以向后飞行，短时间内能非常快地加速。最近，科学家们终于揭开了它们高超的飞行技术背后的秘密！

越小的飞行昆虫的飞行机制越复杂。躯体小可不一定是一个优势，因为躯体小的同时翅膀也小。那么，小翅膀的升力如何而来呢？为了能够在空中飞行或停留，昆虫必须快速地扇动自己的小翅膀，但这会导致神经系统的脉冲跟不上翅膀的节奏;对比来看，大型飞虫，如蝴蝶或大黄蜂，它们每一次翅膀的扇动只需要一个神经脉冲，所以能够更好地保持神经信号和肌肉的同步。因此，对于较小的昆虫来说，翅膀的控制要复杂得多。

除了引起更快的翅膀扇动，小昆虫还进化出了其他的躯体优势。比如说，与其他部位的肌肉相比，翅膀周围的肌肉纤维组织非常对称，这样有助于增强翅膀的冲击力，并能利用空气中局部压力的变化来提高自身的升力，在向后飞行和在空中盘旋等飞行技术方面都会做得更好。

“恐龙变成鸟”

昆虫并不是唯一从陆地进化到空中的物种。大约1.5亿年前，被称为“世界上最大的鸟”的始祖鸟也是从陆地进化而来。

长期以来，科学家们一直在争论始祖鸟是不是鸟。许多专家认为，化石清楚地表明了这种生物有羽毛翅膀，所以它们是鸟类。另一组专家则认为，它们有牙齿和尾骨，这是所有陆生恐龙的特征。因此，生物学界曾经将始祖鸟一度定义为恐龙和鸟类之间的一种进化生物，并不会飞。

现在，美国俄亥俄大学的科学家们有了新的发现。科学家研究了一亿四千七百万年前的始祖鸟头骨，通过1300张X光片，他们利用计算机重建了这种动物大脑的3D版本。计算机模型显示始祖鸟的大脑容量为1.6毫升，这个容量大约是同等体型爬行动物大脑容量的三倍！此外，3D影像显示了它们的耳道以及大脑的视觉中心很宽，竟然和现代鸟类的一样大！

由于找到了大脑发育良好的证据，几乎所有的科学家都一致认为始祖鸟确实能够飞行，尽管它可能不是一个非常敏捷的飞行员。

哺乳动物也能飞

大约在5000多万年以前，唯一会飞的哺乳动物——蝙蝠产生了，哺乳动物也成了世界上会飞的最后一个物种。

蝙蝠专门在夜间行动，在黑漆漆的夜里，它们通过声音和大脑中的记忆来导航。为此，美国约翰霍普金斯大学的大脑研究人员对蝙蝠在黑暗中的导航能力进行了研究。他们在蝙蝠的大脑中植入了小型传感器，然后把它放到一间设置有障碍的房间里，以观察蝙蝠通过障碍物时大脑里的活动。

实验结果发现，蝙蝠的大脑有存储功能，它們的脑中存有周围环境的静态地图。科学家将这种静态地图形容为大脑中纵横交错的网格线。当前方有障碍物时，即会触碰到其中的一条网格线。这时，蝙蝠大脑中相对应的神经细胞就会被激活，为蝙蝠提供障碍物在地图上的具体位置。而当蝙蝠的头部与目标物体处于特定的角度，难以立即定位时，神经细胞也会发出信号，绘制出目标物体所处的详细位置，重新编制网格地图。

科学家们还发现，蝙蝠有时会发出几种超声波信号，强烈的信号使它们能够“关注”特定的物体，这对于它们在茂密的森林中躲避障碍物，或者寻找食物有很大的帮助。

因此，蝙蝠具有与鸟类相同的超灵敏感官，但由于蝙蝠依赖于感知能力，所以它们可以在黑暗的掩护下捕猎。此外，它们的大脑有绘制大片区域并储存这些区域的能力，使得它们能够飞很远的距离，以便找到大量食物，从而保障了第一批会飞的哺乳动物的生存和繁衍。

翅膀与人类发明

翅膀可不仅仅能造福鸟类，它们对于人类的发明创造同样重要！

鸟类大脑研究所的尼尔斯·伯格最近发表声明，鸟类在飞行时可以睡觉，甚至可以达到理想的快速眼动睡眠阶段。研究表明，它们是通过一次只用一边大脑半球睡眠的方式来做到这一点的。恰好，由于人类睡眠不足在当今社会是一个日益严重的问题，尼尔斯希望能通过研究鸟类的睡眠方式，给人类提供一个更好地解决睡眠不足的方法。

荷兰瓦赫宁根大学的科学家们在改造无人机机翼时，也受到了昆虫的飞行稳定性的启发。对果蝇翅膀的研究发现，在翅膀受到严重损伤的情况下，它们依然可以通过改变翅膀煽动的频率来留在空气中。按照这个原理，科学家们已经设计并制造出了一款携带特定功能的机翼，和果蝇一样，即使受到了损伤，仍然可以留在空中。

另外，对蝙蝠的飞行形态及膜结构进行研究，有助于可变形微型飞行器的创新设计。

蝙蝠翼既不同于大多数昆虫的轻质“膜+脉”结构，也不同于鸟类的前肢“羽翼”结构，而是由上肢骨骼和翼膜构成的“翼身一体化”构造（翼膜从脖子一直连接到脚踝）。蝙蝠的手指长、多关节，翼由超过40个独立的关节和附在上的一张柔软的薄膜组成，因此自由转换方式可多达30种，即翼的变形极大。

由于这些启发，英国南安普顿大学和帝国理工学院的科学家成功地设计出了一种新型薄膜可变的机翼。利用这种机翼可以制作出微型无人机，并且还可以飞得更高。