你想飞吗，像鸟一样？

• 闻夕felicity

  2023-01-15
  昆虫没有骨头。要想更好地理解它们的骨骼，你可以去看看它们的大号亲戚，比如龙虾。昆虫没有骨头，但有一套带关节的角质管道，被称为“外骨骼”，里面包着又湿又软的身体器官。昆虫的翅膀不是鸟翼那样经过调整的前肢，它们是外骨骼上生出的纸片般的结构，铰接在胸部的外壁上。负责抬起翅膀的肌肉在体壁内向下拉扯，像杠杆似的将翅膀抬起。至于向下冲，在蜻蜓等少数大型昆虫中，向下冲是靠铰链另一头肌肉的拉扯，你想必也猜到了。但对于数量庞大的其他昆虫，向下冲的原理就不太好猜了。它们靠收缩胸部肌肉，使胸甲顶部向上弯曲。这样能间接地向下撬动翅膀因为翅膀是铰接在胸部的。昆虫的振翅可以达到惊人的频率，有些小虫子每秒钟能振动1046下，比中央C音还高两个八度。这就是一只蚊子即将叮你时发出的那种令人恼火的噪声一D。H。劳伦斯称之为“可恨的小喇叭”。可以想象，要达到这么高的频率，单靠神经每秒1000次交替地告诉翅膀肌肉“上、下、上、下”是很难的，神经的确也不会那么做。这些昆虫靠的是自发振动的振荡的肌肉，这是一种高速震额的、敏子或胡蜂的飞行肌是小型往复式发动机，它要么打开，要么关闭。中枢神经系统不会交替发出“上、下、上、下”的命令，而是只说一句“飞”（打开振荡发动机），过一会再说一句“停飞”（关闭发动机）。没有油门，无须加速。任何时候，只要肌肉引擎打开，它就会以固定频率振动，其频率取决于翅膀的“共振频率”。这就好像翅膀是一只钟摆，它以固定频率摆动，但是比任何真的钟摆都快了许多。想必你从钟摆这个比喻中猜到了：如果将昆虫的翅膀截短，它们的振动频率就会显著上升。诚然，当一只蚊子在我们耳边嘀咕或是一只熊蜂在花坛上嗡嗡盘旋时，我们听到的音符似乎是变化的。但那主要是因为，当昆虫在空中转变方向时，所谓的“惯性效应”会改变这个“钟摆”的行为。在一个缓慢得多的尺度上，这也是为什么哈里森的航海时...
• 闻夕felicity

  2023-01-15
  有人根据多方证据指出，石炭纪的蜻蜓之所以能长这么大，一个必要的前提是当时的大气中含有更多氧气；最高含量估计是35%左右，而今天只有21%。昆虫能将空气输送至全身，不只送到专门呼吸的肺，而这套系统只在较小的身体上才能高效运作。富含氧气的大气能提高体形的上限。当大气中的含氧量升高，（由闪电引发的）森林和草原火灾也会变得更加频繁。或许那些巨型蜻蜓会用它们的硕大翅膀逃避随处发生的火灾。它们的生存机会应该超过同时代的爬虫。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  我们可以把稀树草原假想成一片间距很大的热泡“森林”。那些由上升气流构成的“树木”比鼯鼠、鼯猴或袋鼯攀爬的真树高了几千米。它们与邻近热泡的间距也比真树远得多。因此，如果说鼯猴能水平滑翔100米左右，那么以兀鹫爬升的高度，它就能从一个热泡的顶端出发滑翔好几英里远，或许会一直滑翔到另一个热泡的底部。在那里它可以继续爬升，再滑翔到下一个热泡的底部。听滑翔机飞行员说，热泡是排成“街道”的。只要看准一条街道，从一个热泡滑翔到另外一个，他们就能始终停在空中，在乡野间不停地漫游下去。雕和鹳也是这样利用热泡街道的。可是它们又怎么知道下一个热泡在哪呢？想必和滑翔机飞行员一样，它们也通过寻找积云，积云下方就是热泡了，或者寻找远处盘旋的飞鸟构成的柱子，又或者根据地形来判断。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  另外还有一条特别重要的途径可以让鸟类飞到高处，有时是很高的地方，然后向下滑翔，那就是热泡（thermal）。空气遇热会上升，而热泡就是被冷空气包围的垂直上升的热空气柱。热泡出现一般是因为太阳对地面的加热不够均匀。地面有些部分，比如裸露的岩石，会比周围的土地更热。较热地块上方的空气随之升温，并上升成为热泡。冷空气进入热泡底部填补它留下的空缺，然后冷空气也被加热并上升。在热泡顶部空气变冷，从周围降落下来，降到热泡底部并完成对流循环。热泡顶部常会形成一缕缕如棉花般蓬松的积云，那里温度较低，有水珠凝结。我们从很远就能看到这种云朵，它是热泡的显著特征。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  因为羽毛已经很硬，翅膀在前肢以外不再需要骨骼支撑于是前肢的骨骼就可以得到精简，不必延伸到翅尖的长度。与此同时，有着巧妙弧线的羽毛又很容易弯曲，在翅膀抬起和落下时都能很好地工作。更好的是，后肢不必参与进来使翅膀硬化了。这意味着鸟类不同于蝙蝠和翼龙，能够很好地行走、奔跑和（对小鸟来说）跳跃。与笨拙蹒跚的翼龙或蝙蝠相比，这是一项巨大的优势。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  翅膀上的羽毛之间彼此滑动，使得翅膀能像把完美的扇子一般，改变形状适应不同的飞行条件。从这一点看，鸟类的翅膀比蝙蝠或翼龙优越，后两种动物要改变翼膜的形状是有代价的：它们的皮肤会下垂，形成松垮的褶皱。一根羽毛上的羽片由数百个羽小支组成，它们和周围的羽小支一起并拢或张开。这种结构能实现胡克的坚固又不失轻盈的理想，但它也有代价：羽毛需要鸟喙不断梳理，使它们保持整洁有序。你只要对一只鸟看上一段时间，就一定能看到它给自己梳理羽毛，尤其是细心地梳理翅膀。一只鸟的生命可以说就取决于此，因为梳理不当的翅膀羽毛会直接导致鸟儿在飞行中表现糟糕，从而无法逃脱天敌，或无法捕到猎物，或无法及时转弯、避免碰撞。羽毛是爬行类的鳞片经过调整后的产物。它们最初演化出来很可能不是为了飞行，而是为了像哺乳动物的毛发那样隔热保暖。我们再次看到，演化会利用已有的东西。（再举一个例子：雄性沙鸡会长途飞行为雏鸟送水。它们腹部的羽毛经过演化，变得能像海绵一样吸水。它们飞回巢穴后，雏鸟就从这些羽毛上饮水。）后来，松软隔热的羽毛变得更长，中间还长出了支撑用的羽根，它们坚固又柔软的特性十分适合飞行。一只鸟的翅膀是由羽毛组成的一整块飞行表面，相比鸟身上的其他表面，它的面积是很大的。所谓的“初级飞羽”承担了大部分飞行工作。它们是大片的羽毛，我们的祖先曾把它们的羽根削尖了当作水笔使用。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  蝙蝠的翼膜会用到全部手指，而不单是第四个。和翼龙一样，蝙蝠也用后肢为翼膜提供额外支撑。为此它们付出了代价，变得很不擅长走路。蝙蝠中走得最好的大概是短尾蝠，它们在新西兰森林的落叶中曳步而行。但是论行走或奔跑，它们仍不是鸟类的对手。我能想象一头翼龙跌跌撞撞地行走，就像一把活动的破伞。鸟类的做法与此不同。它们的飞行表面不是一片皮肤，而由可以巧妙舒展的羽毛构成。羽毛是自然界的一个奇迹、一件绝妙的装置，它们强韧到能把鸟儿托上天空，又不像骨骼那样死板。羽毛很柔软，同时又足够坚硬，使鸟类不必长太多骨头。有些鸟类，比如图中这只渡鸦，它们的前肢骨骼只到翅膀长度的一半，翅膀的另一半完全由羽毛组成（见图5。2）。你可以将它们和蝙蝠或者翼龙对比，后两种动物的骨骼都径直延伸到翼膜的尖端。骨骼是强硬的，却又是沉重的，而如果你是飞行动物，你绝对不想变得沉重。一根空心的管子比一根实心的棒子轻巧得多，在强度上也只是稍有减弱。飞行脊椎动物的骨骼都是空心的，但是因为有横撑加固，它们并不会在飞行中折断。鸟类也利用超轻而坚固的羽毛，将翅膀中的骨骼减到了最少。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  动物的体积或体重是衡量其细胞数量的良好指标。大型动物并没有拥有更大的细胞，而是有更多的细胞。其中的每一个细胞，无论它属于大象还是老鼠，都需要得到氧气和其他关键物质的滋养。一只跳蚤的细胞数比一只大象少，并且每一个细胞都离空气不远，氧气不需要多么深人就能被这些细胞吸收。一个成年人有大约30万亿个细胞，其中只有很小一部分是与空气接触的皮肤细胞。虽然人的表面积要远大于跳蚤，但我们的细胞只有一小部分处在外表面。为了弥补缺乏外表面的不足，我们这些大型动物长出了巨大的内表面来接触空气，这就是肺的由来。你的肺里有一套精巧复杂的系统，有许多层级的分支，一直精细到被称为“肺泡”的最小的腔室。你的肺部有大约5亿个肺泡，如果全部展开，它们表面积的总和相当于大半个网球场。这块内表面全都可以接触空气，并有丰富的血管供养。就连昆虫也是这样，它们虽然体形小得多，但是也会扩大和空气接触的表面积。它们靠的是一套在体内分叉的空气管道系统，就叫“气管”（tracheae）。昆虫的整个身体都仿佛是一个肺。我们肺部的血管也是分叉了再分叉，形成一片巨大的体内表面积，用来从肺部收集氧气，并输送到体内的所有细胞，比如肌肉细胞就需要缓慢燃烧氧气来驱动。毛细血管构成了一片巨大的内表面，功能同样是收集和输送氧气、供给所有细胞。为了生存，一个普通细胞和最近的毛细血管之间的距离必须小于0。05毫米一也就是小于两三个细胞的直径。毛细血管还会从肠道收集食物中的物质，而肠道本身也构成了一块很大的内表面，展开来也有大半个网球场大。想想在你体内盘绕的漫长肠道，并将它和一条蚯蚓的肠道对比一蚯蚓的肠子是一根直直的管道。你的肾脏还配备了无数微管，这些微管过滤血液，从中析出废物，如果展开，它们也能构成一块巨大的内表面。如果将你体内的血管（主要都是毛细血管）全部拉直，它们能环绕地球3周还多。这么大的表面积全是为了让血液接触细...
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  我们这一章的问题是，有一种动物如果出于某种原因需要变大，但同时还要会飞，它应该怎么办？它应该将表面积扩大到不成比例的地步，以此抵消体重的增加：比如长出羽毛似的突起物（如果它是鸟），或者薄薄的皮膜（如果它是蝙蝠或者翼龙）。无论构成你身体的材料（也就是你的体积或体重）有多少，只要能将这些体积中的一部分铺成一个大平面，你就向起飞迈出了一步。至少你可以像跳伞般轻轻降落，或是在微风中飘浮了。这就是为什么达·芬奇笔下的天使经我们改动之后会有这样巨大的翅膀。工程师用数学表达了这个观点，他们的术语叫“翼载荷”（wing loading）。一架飞机的翼载荷等于它的重量除以它的机翼面积。翼载荷越大，飞机在空中停留就越难。一架飞机（或一只鸟）飞得越快，每平方厘米机翼就能拥有更多升力。重量一定时，飞得较快的飞机可以凭借较小的机翼面积留在空中。这就是为什么慢速飞机往往拥有比快速飞机更大的机翼面积。在实现如今的高速飞行之前，早期的飞机通常都是双翼的。那样可以有双倍的机翼面积，但同时阻力也会增加（见图5。1）。同样的道理，我们有时还会见到三翼飞机。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  在达·芬奇的这幅《天使报喜》中，那对翅膀的根部画得非常别扭，远比不上这幅精美杰作的其他部分，仿佛画家自己都为它们的荒谬感到难堪。这位解剖学大师或许也曾想过，那些天使要把必不可少的飞行肌还有飞行肌附着的胸骨藏在哪里。要是他如实画出那块必不可少的龙骨突，它就会一直向前伸到圣母玛利亚坐的地方。还有飞马珀伽索斯，它是一匹马，它的身子更沉，因此也需要一块更厚的龙骨突。布拉克的龙骨突也是如此，这可怜的东西要想走路，它的龙骨突就会撞到地上。看看蜂鸟那相对硕大的龙骨突吧，蜂鸟是最小的鸟类之一，也是充满活力的飞行者（见图4。3）。想想珀伽索斯要飞起来，它的龙骨突得大到什么程度。蝙蝠倒没有鸟类那样的龙骨突，但是为了飞到空中，它们的胸骨也增大增强了。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  有一件事可能会让不习惯像经济学家一样思考的理想主义者觉得厌恶，那就是人的生命并不是无限宝贵的，我们会用金钱衡量人命。我们为军用飞机和民航客机制定的不同规章体现了在安全性方面不同的折中结果。对于人类技术和生物演化，经济上的取舍、平衡和折中都是关键，它们也将在本书中多次出现。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  对会飞的鸟来说，另一股压力来自身体要保持轻盈的需求。飞鸟挖空心思减轻体重，它们的骨头是空心的，浑身还有9个气囊。如果鸟蛋太重，这些举措带来的好处就会被大大抵消。这显然也是鸟类一次只携带一枚成熟鸟蛋的原因。一窝鸟蛋或许有很多只，但鸟妈妈要等到产下最后一只才开始孵蛋，这样所有雏鸟才能同时出壳。有些猛禽还另外表现出一种相当残忍的妥协：鸟妈妈准备抚养的雏鸟不多，产下的鸟蛋却不少。如果当年食物特别充裕，它就将孵出的雏鸟全部养大；但如果只是食物分量普普通通的一年，最小的那只雏鸟就得去死，常常还是被哥哥姐姐们杀死。这只最小的雏鸟也可以看作一笔保险费，用来保障较大的幼鸟能够存活。哺乳动物通常不是这样。它们没有必须保持轻盈的选择压力，因此母兽常会同时孕育几个胚胎（最高纪录是一种怀三十二胞胎的马达加斯加猬，它看起来有点像刺猬，你不禁要同情分娩的母猬）。但蝙蝠就是例外，它们通常一胎只有一个幼崽，这和我们刚刚看到的鸟类属于同样的原因。人类也是例外，但人类是出于另外一个原因。我们一胎生得不多，这多半还是因为我们硕大的脑部。无论我们为什么会有这么大的脑（这无疑是一件好事），它都使分娩变得格外困难和痛苦。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  鲸头鹳是非洲的一种濒危动物，相貌极丑，它不是骇鸟的近亲，体形也小到（刚刚）能够飞起。但是它的外表及进食习惯却能使我们大概体会即将被整个吞下是什么感觉（见图3。6）。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  加拉帕戈斯群岛有一种弱翅鸬鹚，它们的祖先显然是从大陆飞到群岛上的鸬鹚，但遗传到后来翅膀退化了。所有鸬鹚都有一个习惯，就是在潜水捕鱼之后，在空气中张开翅膀晾干。这个习惯相当要紧，因为潜水捕鱼时，它们的翅膀会浸透水分，变得无法飞行（图3。4）。大多数水鸟是没有这个习惯的，它们在羽毛上抹油，使之不会被浸湿，所以才有了那句谚语：“像鸭子背上的水。”弱翅鸬鹚仍会将翅膀张开晾干，虽然它们的翅膀干了也无法飞行。但这里我要补充一句：并不是所有鸟类学家都认为，鸬鹚张开翅膀只是为了晾干它们并准备起飞。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  蝙蝠是唯一能殖民远方岛屿的哺乳动物，原因显而易见。但是我没听说过蝙蝠失去飞行能力的例子，无论在岛屿还是别的什么地方。我对此感到惊讶。我们想当然地认为，岛屿上的鸟类在多次演化中忘记飞行的逻辑应该也适用于蝙蝠。我想是不是有可能只是我们没有注意到不会飞的蝙蝠。也许将来的分子遗传学家会在海岛上找到一个“鼩睛”物种，并发现它是由蝙蝠突然变化而成的（演化意义上的“突然”）。这样猜想很有意思，即使我们现在似乎是错的，今后的研究也始终有可能证明我们是正确的。毕竟更奇怪的事也发生过。在分子遗传学问世之前，谁又能想到鲸是从偶蹄动物演化而来的呢？还有河马和鲸的亲缘关系竟比河马和猪还近！鲸是偶蹄动物，虽然它们已经没有蹄子了！
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  有翅膀的动物能登上单凭腿脚无法到达的岛屿。偏远的岛屿上往往没有哺乳动物，或者唯一的哺乳动物（这要除去人类带去的澳洲野狗或老鼠之类）是蝙蝠。为什么是蝙蝠？当然是因为蝙蝠有翅膀。除了蝙蝠，偏远岛屿主要属于鸟类，而非哺乳类。
• 闻夕felicity

  2023-01-14
  塘鹅会俯瞰大片开阔的海面，寻找鱼群的迹象一一那可能是海面的一片阴影或者是其他已经聚集的鸟类。当一群密集的塘鹅或一群与塘鹅血缘关系很近的鲣鸟从高空俯冲，以约97千米的时速轰炸鱼群时，那是生命所能呈现的最精彩的画面之一。这种无情的闪击勾起了另一幅二战影像：仿佛斯图卡式轰炸机吹响它们的“耶利哥号角”。不同之处在于，塘鹅和鲣鸟并没有猛掼下来摔死——一般不会，虽说入水时的误判也会让它们折断脖子；而且长时间看来，一辈子俯冲跳水确实会对它们的眼晴造成渐进性伤害：一只鲣鸟的生命最终可能因其糟糕的视力而终结。你可以说它们是因为跳水缩短了寿命。可要是它们不跳，寿命会缩得更短，因为不跳就可能饿死。塘鹅更是专攻跳水的鸟类，一旦失去这个技能，它们就无法与其他鸟类竞争，比如与在海面上觅食的鸥鸟竞争（见图2。2）。顺便说一句，这里体现了演化论中一条有趣的原理，它接着还会在本书中不断出现：这就是折中原理。达尔文式的自然选择可能会驱使一种动物在年老时缩短自己的寿命，如果这么做能使它年轻时的繁殖成功率提高的话。我们已经看到，在达尔文式的语汇中，“成功”意味着在死亡之前为你的基因留下大量副本。如果一套基因能驱使塘鹅在年轻时更高效地捕鱼，它们就能成功地被遗传给下一代，即使这套基因也会在塘鹅年老时加速其死亡。这个逻辑可以帮助我们理解自己为什么会衰老，虽然我们不必俯冲进水里捕鱼。我们的基因是从一长串祖先那继承来的，祖先们都曾是成功的年轻人，但他们不必是成功的老年人，因为到老年时，他们多半已经完成了繁殖任务。
• Reader

  2023-01-10
  我把科学本身也看作一次飞向未知的史诗飞行。它或者是朝向另一个行星的真实迁徙，或者是心灵的畅想，以抽象的方式翱翔于奇异的数学空间。它或许正通过望远镜向上跳跃至不断后退的、遥远的其他星系；或许正透过闪闪发光的显微镜管深深潜入活细胞的“机舱”内；或许正绕着大型强子对撞机与粒子竞速。或许它正在时间中飞行，或随着膨胀的宇宙向前穿越，或透过岩石穿越到太阳系诞生之前，奔向时间本身的源头。就像飞行是摆脱重力进入第三维度，科学也在摆脱日常生活，盘旋地升上想象的精妙高度。
• 标本师库特

  2023-01-08
  《一千零一夜》里的故事说，你只要坐上一块魔毯，说出你想要去的地方，它就会立刻把你送到那里去。神话里的国王所罗门也有一块丝线织成的亮晶晶的毯子，它大得能坐下4万个臣民。所罗门坐上毯子就能对风发号施令，他想去哪里，风就吹他去哪里。古希腊神话说到了珀伽索斯，那是一匹长着翅膀的白色骏马，驮着英雄柏勒洛丰去行使他的使命，杀死怪物喀迈拉。穆斯林也相信先知穆罕默德曾经坐上一匹飞马“夜行登霄”。他骑着这匹“布拉克”从麦加疾飞到耶路撒冷，这匹神兽的形状像马，长着双翅，在图画中往往长着一张人脸，仿佛希腊神话中的半人马。“夜行登霄”是我们在睡梦中都曾体会过的事情，我们在睡梦中的一些旅行，包括在梦中飞翔，少说也和穆罕默德的经历一样奇特。在希腊神话中，伊卡洛斯用羽毛和蜂蜡做了一对翅膀，粘在自己的胳膊上。但是伊卡洛斯很自负，他飞得离太阳太近了。阳光烤化了蜂蜡，最后他摔死了。这是个很好的故事，教育我们不可自大，但在现实中，伊卡洛斯飞得越高，应该会越冷而不是越热才对。
• 标本师库特

  2023-01-08
  好了，现在来说说机翼提供升力的第二种方式，伯努利方式。你应该已经注意到了，现代客机的机翼并非平平一块，而是有着巧妙的形状。它们的前缘比后缘厚，其截面也是一个精心塑造的弧形，在空气快速掠过飞机表面时，这个设计会运用伯努利原理使飞机获得升力。伯努利定理就是，当“流体”（“流体”包括气体和液体）流过一个表面时，这个表面的压力会变小。我会在本章结尾试着解释这个定理，它就是洗澡时浴帘会吸到里面，湿湿冷冷地贴到你身上的原因。就是为了防止这样的情况发生，你的浴缸外面往往会挂第二条浴帘。在这个例子中，伯努利流体是由洒落的水流带起的向下的风。现在想象你有两只向下的喷头，各装在一块浴帘的两侧，其中一只喷头的出水速度快于另外一只。根据伯努利定理，这块浴帘就会被“吸”到水流较快的一侧。（我给“吸”加了引号，因为我们以为浴帘是被吸到一侧，而这其实是另一侧的压力更大造成的。）