翅膀，为了天空的进化

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。几亿年来，很多古老的生物都已经灭绝，但有一些物种经过多重演化、繁衍生息后，演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，会飞的动物在演化和生存方面有诸多优势。在残酷的演化史中，大自然一次次地“创造”出各种各样的翅膀，小到昆虫，大到翼龙，许多动物都从飞行中受益。

通往生存之路

翅膀在物种多元化繁衍中发挥了巨大作用。最古老的翅膀，是在3.25亿年前的巨型蜻蜓化石中发现的。随后的化石研究结果表明，从翅膀的诞生开始，动物的物种多样性就爆发了。比如，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1/5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2倍，而蝙蝠甚至可以通过声波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、向后飞行，还能在短时间内迅速提速。最近，科学家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，其飞行机制越复杂。躯体小可不一定是个优势，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悬停，昆虫必须快速地扇动自己的小翅膀，但这会导致神经脉冲跟不上翅膀扇动的节奏；对比来看，大型飞虫如蝴蝶、黄蜂，每次扇动翅膀只需一个神经脉冲，就能很好地保持神经信号和肌肉的同步。因此，对较小的昆虫来说，对翅膀的控制要复杂得多。

除了能够更快地扇动翅膀，小昆虫还演化出了其他的躯体优势。比如，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，在空中盘旋、向后飞行等飞行技术方面都能做得更好。

恐龙变成鸟

昆虫并不是唯一从陆地演化到空中的物种。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演化而来的。

长期以来，科学家一直在争论始祖鸟到底是不是鸟。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；另一些专家则认为，它们有牙齿和尾骨，这是所有陆生恐龙的特征。因此，生物学界曾一度将始祖鸟定义为恐龙和鸟类之间的一种演化生物，认为其并不会飞。

现在，美国俄亥俄大学的科学家有了新的发现。科学家研究了1.47亿年前的始祖鸟头骨，通过1300张X光片，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形爬行动物大脑容量的3倍。此外，3D影像显示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，尽管它可能不是一位非常敏捷的飞行员。

哺乳动物也能飞

大约在5000万年以前，唯一会飞的哺乳动物——蝙蝠出现了，哺乳动物也成了世界上最后一个演化出飞行能力的物种。

蝙蝠专门在夜间行动，在黑漆漆的夜里，它们通过声波和大脑中的记忆来导航。为此，美国约翰斯·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的活动。实验发现，蝙蝠的大脑有存储功能，能够保存周围环境的静态地图。科学家将这种静态地图形容为蝙蝠大脑中纵横交错的网格线。当前方有障碍物时，即会触碰其中一条网格线。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，这对它们在茂密的森林中躲避障碍物，或者寻找食物有很大帮助。

蝙蝠具有与鸟类相同的超灵敏感官，且更加依赖感知能力，因此更适宜在黑暗的掩护下捕猎。此外，它们的大脑有绘制并存储大片区域静态地图的能力，使得它们能够飞出很远的距离，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

翅膀不仅能造福鸟类，对人类的发明创造同样重要。

研究鸟类大脑的尼尔斯·伯格认为，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，尼尔斯希望通过研究鸟类的睡眠方式，给人类提供一个更好的解决睡眠不足的方法。

荷兰瓦格宁根大学的科学家在改造无人机机翼时，也受到了昆虫飞行稳定性的启发。对果蝇翅膀的研究发现，在翅膀受到严重损伤的情况下，果蝇依然可以通过改变翅膀扇动的频率来保持飞行。按照这个原理，科学家已经设计并制造出一款具备特定功能的机翼，和果蝇一样，即使受到损伤，仍然可以停留在空中，保持飞行。

另外，对蝙蝠的飞行形态及翼膜结构进行研究，为可变形微型飞行器的创新设计带来了帮助。

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

受到这些启发，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的薄膜可变机翼。利用这种机翼可以制作出微型无人机，还可以使无人机飞得更高。