[科普中國]-翼龍能帶我們學(xué)飛行嗎？

人類長期以來一直懷抱著飛行的夢想，從神話傳說中的天使、神仙，到文藝復(fù)興時期達芬奇的手稿，乃至后來萊特兄弟不懈的嘗試，都為了一圓人類上青天的宿愿。在探索飛行的過程中，人類時常以大自然為師，例如達芬奇在繪畫出飛行器之前，曾花了大量時間觀察鳥類飛行。但如果他觀察的是翼龍，是否會畫出不同的構(gòu)圖呢?是否能將人類的飛行歷史提前呢?

達芬奇的鳥類飛行手稿(圖片來源: kknews.cc)

人類現(xiàn)今的飛行器在極大程度上借鑒了自然界的飛行生物，如類似蜻蜓的直升機、形似蝙蝠翼膜的滑翔傘、參考鼯鼠的飛行衣等。但長久以來，人們忽視翼龍等滅絕生物能帶給我們的啟發(fā)，一方面是因為化石時常破碎不堪，另一方面則是因為以前物理計算模型還不夠成熟。然而，得益于更新、更完整的化石發(fā)現(xiàn)，加上日趨成熟的模型計算能力，科學(xué)家也開始著眼于化石物種助力人類開發(fā)全新飛行方式的潛能。

近日，英國布里斯托大學(xué)的團隊在《生態(tài)與演化趨勢》(trends in ecology & evolution)上發(fā)表了一篇文章，綜述了有關(guān)翼龍和其他飛行生物的化石發(fā)現(xiàn)，并揭示這些化石物種對人類飛行研究的潛力〔1〕。

飛行的訣竅

在討論翼龍的飛行之前，我們要先知道飛行的本質(zhì)是什么。著名英國作家道格拉斯．亞當(dāng)斯曾在其著作《生命，宇宙及一切》中給出了一個飛行指南:

“飛行是門藝術(shù)，更是個訣竅。訣竅在于如何將自己丟向地面又躲開它?！苊黠@地，后者，也就是如何躲開地面，是這個訣竅的難度所在?！?/p>

飛行僅有兩個步驟:1將自己丟向地面2躲開(圖片來源: teepublic)

對于所有嘗試飛行的動物來說，只要能延長自己在空中不摔到地面的時間，就是廣義的飛行。而不同動物多種多樣的嘗試方式演變出了多種飛行模式〔1,2〕。

第一種飛行是跳傘式的，降落的角度大于45度，也就是前進的同時也會大幅度地下降，因此如何落地或是降低落地速度是這些動物所需要的。這種方式非常常見，甚至可以說所有動物都具備一定的此種能力，但其中的佼佼者可能是某些松鼠、青蛙或是樹棲的守宮。

第二種則是滑翔式的，降落的角度小于45度，從而延長在空中的時間。這種方式在許多類群中都有特定的皮膜構(gòu)造來完成，如鼯猴、蜜袋鼯、飛蜥、金花蛇等都能進行滑翔。

飛蜥:看我華麗的滑翔(圖片來源:維基百科)

以上兩種方式雖然出現(xiàn)于許多不同門類之中，但都算不上真正地掌握飛行，因為它們都需要到一個高處一躍而下，而不能原地起飛或是在躍出之后向上攀高。

不依賴高地、能自由自在地飛行的能力稱為“動力飛行(powered flight)”，在演化上非常罕見，在脊椎動物中僅出現(xiàn)過三次，包括鳥類、翼龍和蝙蝠。而在無脊椎動物當(dāng)中，僅在昆蟲當(dāng)中出現(xiàn)一次。

而動力飛行之中又包含了許多不同的飛行模式，如最典型的振翅飛翔，是這三類動物飛翔的基本款；結(jié)合滑翔和運用氣流、溫度等環(huán)境因素的翱翔，讓禿鷲、信天翁等生物可以省力地遠游；通過運用高度振翅的精密操控或是對氣流的善加利用，某些隼及蜂鳥甚至能做到在空中懸停。

（圖片來源：騰訊科技）

動力飛行的三條演化之路

動力飛行的演化之所以稀有，很可能是因為它對整體操控的要求很高，需要有對肌肉的精準(zhǔn)操控、平衡的掌握、氣流的感知、降落時緩沖的控制，還要有羽毛、翼膜等外部硬件的支持。在這復(fù)雜的系統(tǒng)下，如果其中一個步驟不到位，飛行嘗試都可能變成致命的墜落。然而，演化又是漫長且漸進的過程，許多特征無法一步到位，因此如果這些身體結(jié)構(gòu)在演化初期沒有適應(yīng)飛行以外的其它功能或甚至有害的話，很快就會被淘汰并關(guān)上前往飛行的道路。這些條件都增加了生物演化出動力飛行的難度，也讓許多物種停留在跳躍或滑翔的階段。

雖然脊椎動物中僅有三個演化分支發(fā)展出動力飛行，但由于稱霸了天空這片生態(tài)凈土，它們在總數(shù)上絕對稱不上弱勢。當(dāng)今鳥類的種數(shù)有超過1萬種，將近哺乳動物的兩倍。而在近6000種的哺乳動物中，蝙蝠的種類就有1000種上下，是僅次于嚙齒類的第二大類。翼龍的總數(shù)雖然難以確定，但它們在中生代應(yīng)該也是以多種多樣的姿態(tài)稱霸藍天：從現(xiàn)有的化石來看，它們演化出了從翼展 10多厘米到超過10米等不同體型，涵蓋了魚類、昆蟲、果實、種子、水草等多種食性。

這三支不同的演化類群，也都各自發(fā)展出不同的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)飛行，而這些結(jié)構(gòu)都有各自的長處和限制。

三種脊椎動物動力飛行的結(jié)構(gòu)(圖片來源: 互動科普 )

鳥類是用愈合的掌骨搭配羽毛的使用來飛行的，這些羽毛演化成在羽軸兩側(cè)不對稱的飛羽，以利于掌控氣流讓自身高飛。得益于遼寧熱河生物群中大量羽毛恐龍的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能逐漸拼湊出獸腳類恐龍到鳥類的演化過程；從許多不會飛翔的恐龍身上發(fā)現(xiàn)的原始羽毛來看，也能知道羽毛最初的演化目的與飛行無關(guān)，更可能是為了保溫、性展示、控制奔跑時的平衡等其他功能。而小盜龍(Microraptor)等四翼恐龍的發(fā)現(xiàn)，更是證明了鳥類在演化出高效的動力飛行之前，曾靠著雙手雙腳加上大長尾上的羽毛來低速滑翔及控制方向，其后才發(fā)展出適于高速飛翔的雙翅〔3-4〕。

小盜龍能用四個翅膀搭配尾巴來低速滑翔。(圖片來源:〔5〕 )

翼龍和蝙蝠則都發(fā)展翼膜來飛行，但這兩者的方式又稍有不同。蝙蝠是用延伸的2~5指來稱開翼膜，翼龍則主要使用延長的第4指來飛行。蝙蝠的翼膜有較多的指頭支撐，因此有較薄的翼膜和更多的肌肉來協(xié)調(diào)飛行〔1,6-7〕。

而翼龍翅膀的骨骼結(jié)構(gòu)實際上要簡單很多，只有一根手指在功能上參與到了翅膀的構(gòu)成。但是，翼龍的膜狀翼上一般有多層的的翼膜。相關(guān)的物理學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，翼龍的結(jié)構(gòu)使它們無法像鳥類那樣高速飛行，但可以運用氣流進行更加省力且易于操縱的低速飛行〔8-11〕。這種飛行能多省力呢?根據(jù)最新的實驗和解剖學(xué)構(gòu)造分析，連翼展超過10米，體重推估有300千克的的風(fēng)神翼龍(Quetzalcoatlus)都還沒超過這種飛行方式的重量限制〔12〕。

風(fēng)神翼龍的翼展超過10米，圖為兩種不同的風(fēng)神翼龍。(圖片來源:維基百科)

為什么要參照翼龍設(shè)計飛行器？

人類自古以來一直希望能夠像鳥兒一樣自由的翱翔在天空當(dāng)中。從古希臘神話中伊卡洛斯模仿鳥類翅膀飛離克里特島，到工業(yè)革命后從鳥類、蝙蝠和昆蟲的仿生學(xué)研究不斷地優(yōu)化飛行器的設(shè)計。大自然現(xiàn)存的生物是啟迪人類飛行的主要動物。而滅絕了六千六百萬年的翼龍，有什么特殊的地方需要我們專門去學(xué)習(xí)呢？

我們首先需要對翼龍這類飛行的爬行動物，有一個更深刻的了解：它們是怎么飛行的？它們的飛行方式與現(xiàn)生的飛行動物有什么異同？

隨著越來越多更加精美的化石以及足跡等痕跡化石的發(fā)現(xiàn)，加上對科技以及物理模型的運用，如今科學(xué)家們對翼龍的翅膀結(jié)構(gòu)、翼膜形態(tài)和附著位置、起降姿勢都有越來越詳盡的了解〔8-9, 13〕，并開始思索這些結(jié)構(gòu)對人類開發(fā)飛行技術(shù)的可能性。

中國發(fā)現(xiàn)的熱河翼龍(Jeholopterus)保留了精美的軟組織。(圖片來源:〔8〕)

可大可小，是翼龍體型的一個重要特征。在所有可以飛行的動物中，翼龍的體型跨度是最大的。體型最小的翼龍，翼展僅十幾厘米，而體型最大的翼龍，如風(fēng)神翼龍(Quetzalcoatlus)，翼展可以輕松超過十米，體重也能超過300千克。因此，相對于翼展最大僅為3.7米皇家信天翁(Diomedea epomophora）而言，翼展可以超過一些小型飛機的大型翼龍，在中型飛行器設(shè)計方面顯然有更大的參考意義。

（圖片來源：維基百科； pinterest）

既然翼龍的體型可以這么大，那如何起飛，又如何落地就成了問題的關(guān)鍵。其實對體型最大的幾種翼龍，究竟能不能真正的飛上天空，學(xué)界一直是存在爭議的。反對的學(xué)者認為，這么大的翼龍從生物力學(xué)的角度是無法從地面上飛起來的。然而，如果這些十幾米的翼龍不能飛行，它們身上那些典型的適應(yīng)飛行的特征又無法得到解釋。

近些年來，布里斯托大學(xué)的生物力學(xué)團隊相繼完成了一些對翼龍起飛能力的古生物運動功能學(xué)研究。Palmer博士研究發(fā)現(xiàn)，翼龍四足跳躍起飛的力學(xué)模型是可以支持非常大體重范圍的。也就是說，即使是翼展超過10米的風(fēng)神翼龍，也可以通過四肢（后置和翅膀的腕部）發(fā)力，脫離地面進行飛行的。對比而言，鳥類都只是用后肢的力量發(fā)力起飛的。也許翼龍這種與眾不同的起飛方式，更加適應(yīng)體重更大的飛行模式，也因此可能對大小相近的人類設(shè)計的飛行器的起飛，有著有趣的啟示作用。

另外在氣流的掌控方面，翼龍的翅膀相比鳥類的翅膀，沒有鳥類復(fù)雜的羽毛系統(tǒng)帶來的獨特的飛行優(yōu)勢。與同為膜翼翅膀模式的蝙蝠相比，翼龍翅膀沒有蝙蝠那樣均勻間隔分布在翼膜之間，起強有力支撐作用的手指。相反，翼龍單指支撐的翅膀展現(xiàn)出極高的空氣動力學(xué)的穩(wěn)定性，因此研究翼龍翼膜的纖維結(jié)構(gòu)、翅膀操控形態(tài)，有助于提高飛行器在氣流中的可控性及穩(wěn)定性。

例如，翼龍的膜狀翼當(dāng)中具有多層分布的，一種叫做“放射狀纖維”（actinofibrils），這種纖維極大提高了翼龍翼膜的抗張強度（材料經(jīng)受拉力而不斷裂的最大應(yīng)力）和韌性。因此，翼龍只通過一根功能手指和一片沒有骨骼參與的膜狀翼，就達到了其他飛行動物更復(fù)雜結(jié)構(gòu)（蝙蝠特化的手指骨骼參與膜狀翼的構(gòu)建，鳥類復(fù)雜的羽毛系統(tǒng)）才能達到的效果，這是非常有趣的。這項技術(shù)具有極高的商業(yè)和軍事價值，目前已經(jīng)有古生物學(xué)家和軍方的實驗室正在共同研究開發(fā)這類結(jié)構(gòu)的飛行器〔1〕。

對翼龍的模型進行的風(fēng)洞飛行試驗顯示，翼龍的翅膀更適合在相對較高的升力系數(shù)下進行飛行。翼龍可能不善于非?？焖俚娘w行，但它們的身體結(jié)構(gòu)使得它們很適合在上升暖氣流當(dāng)中慢速飛行，并緩慢著陸。同時，翼龍在這種低速飛行模式下，能效比是非常高的，不需要很多能量，就可以進行長時間的飛行。

人類對飛行器的需求，也并不全是如超音速飛機那樣快速的飛行器，實際上，我們很多時候需要的是相對慢速而操控靈活的飛行設(shè)備，比如時下最流行的“大玩具”無人機。現(xiàn)在無人機的一大痛點就是由于飛行過于耗能，無法飛的很久，也許來自一億年前翼龍的身體結(jié)構(gòu)，可以幫助工程師們設(shè)計出更節(jié)約能源，飛行時間更長的飛行器。

不只翼龍，近年發(fā)現(xiàn)的非鳥類恐龍中，如奇翼龍(Yi qi)或混元龍(Ambopteryx)等擅攀鳥龍類，就是目前已知的脊椎動物中唯一能夠運用羽毛和翼膜結(jié)合的飛行方式的生物〔1, 14-15〕；而小盜龍運用四肢加尾巴的飛行也展現(xiàn)出極高的滑翔穩(wěn)定性〔3〕。這些特殊的結(jié)構(gòu)也許在未來都能為工程學(xué)帶來更多的靈感，開發(fā)出更高效的航天飛行器。

奇翼龍化石及復(fù)原圖(圖片來源:〔1〕)

科學(xué)家們和工程師們對現(xiàn)生動物的觀察和學(xué)習(xí)，為我們當(dāng)代工業(yè)文明的發(fā)展提供了巨大貢獻。但現(xiàn)在生活著的動物并不是漫漫生命長河的全部，而只是很小的一部分。隨著古生物學(xué)的發(fā)展，越來越多與現(xiàn)生動物完全不同的動物會被發(fā)現(xiàn)，而這些陳舊的“新生命”也許會在人類學(xué)習(xí)自然的過程中，給我們不一樣的啟迪。

參考文獻

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