宅男汗颜!蜂鸟"手速"可达100次/秒 构造堪称奇迹

蜂鸟是世界上体型最小的鸟类,而古巴吸蜜蜂鸟(Mellisuga helenae)又是其中最为渺小者。它们的个头通常只有3厘米左右,体型虽小,飞行能力却不输同类,速度与持久性和其他蜂鸟无异。

吸蜜蜂鸟红冠绿衣,体重仅比一颗杏仁多一点。古巴当地人称管它叫作“zunzuncito”——得名于它飞行时发出的嗡嗡声。

出品|网易科学人栏目组

译者|孙文文

(科学家用视错觉图研究鸟类飞行对视觉的依赖程度。当螺旋盘呈现逼进的假象时,蜂鸟会切换到“倒档模式”,鸟喙从汲水器中滑出。图中的实验对象是一只安娜蜂鸟,这种蜂鸟原产南美洲,以色彩亮丽的羽毛而知名。

Sources:Benny Goller and Doug Altshuler, University of British Columbia, Vancouver)

蜂鸟翅膀的振动频率超越了人眼感知的极限,高速摄像机帮助科学家揭示这种神奇鸟儿的飞行秘密。

为了追寻世界上体型最小的鸟类,鸟类学家克里斯托弗·克拉克(Christopher Clark)来到古巴。他带来了满满一车的科研设备:相机、声学仪器、还有一个立方体的笼子。

蜂鸟像一只长了翅膀的子弹在灌木丛中飞速穿梭,即便在停止移动进食花蜜时,它的翅膀仍然以极高的频率震动。由于振动频率太高,人眼只能看到一块扇形的灰影。

蜂鸟是世界上体型最小的鸟类,而古巴吸蜜蜂鸟(Mellisuga helenae)又是其中最为渺小者。它们的个头通常只有3厘米左右,体型虽小,飞行能力却不输同类,速度与持久性和其他蜂鸟无异。

吸蜜蜂鸟红冠绿衣,体重仅比一颗杏仁多一点。古巴当地人称管它叫作“zunzuncito”——得名于它飞行时发出的嗡嗡声。

(英属哥伦比亚大学的研究者通过观察安娜蜂鸟在不同图案环境下的飞行姿态了解蜂鸟如何处理飞掠眼旁的景色。人们猜测蜂鸟可能会根据景物高度的变化——比如图片中的水平线条——来避免发生碰撞。

Sources:Roslyn Dakin and Doug Altshuler)

蜂鸟用积极和热情弥补自己体型上的不足。在发现一只雌蜂鸟光顾了自己的领地之后,雄蜂鸟难掩心中激动,开始独特的炫技表演。先是如直升机一般飞到高空,在高处盘旋,对着下方的雌鸟鸣叫。

雄鸟继续升高,直到最后变成天空中一个小黑点。突然,就像过山车到达最高点,蜂鸟开始向地面俯冲。这种升高和俯冲的表演会重复多次,最后雄鸟飞出视线,只留树叶被气流扰动。

蜂鸟 慢镜头

(慢镜头展示蜂鸟绝美画面)

即便是资深鸟类学家,克拉克也无法单凭肉眼看清蜂鸟的动作。他使用每秒500帧的高速摄像机——普通手机拍摄视频不过每秒30帧——拍下蜂鸟的运动影像,他是首位用高速摄像头拍摄吸蜜蜂鸟的人。

克拉克在笔记本电脑上回放视频,只有这样,人类才能拿看到蜂鸟速度背后所隐藏的令人惊叹的动作。

此前的八年时间里,克拉克从亚利桑那州的沙漠远涉到厄瓜多尔的雨林,又来到古巴的乡村,用摄影机记录下蜂鸟的求偶表演。在加州大学河滨分校的实验室,鸟类教授观看搜集到的视频影像,对蜂鸟飞行情况提出见解。

这些研究帮助人们了解一般鸟类的飞行以及蜂鸟奇异的求偶方式。

(大多数鸟类都是用向下挥动翅膀来获得升力。蜂鸟悬浮能力的秘密在于其翼运动的近乎对称性,这使得它无论朝哪个方向挥动翅膀都可获得升力。

研究者使用超声波雾化器让空气中充满水雾,根据水雾的的轨迹反推安娜蜂鸟翅膀的运动方式。Sources:Victor Ortega-Jimenez and Robert Dudley, UC Berkeley; Doug Altshuler, University of British Columbia, Vancouver)

(实验人员用风洞观测蜂鸟在空速35英里环境下的飞行机制。图为加州大学河滨分校用一只黑颏北蜂鸟进行实验,实验目的是探究雄蜂鸟在求偶时进行的俯冲表演是否与其飞行能力有关。

意即:表演最复杂的雄鸟是否拥有最快的飞行能力?在风箱中添加水雾方便研究者观察翅膀扇动引起空气运动的轨迹。Sources:Sean Wilcox and Christopher Clark)

蜂鸟行动迅速羽毛艳丽,是肌肉、羽毛和绚丽色彩的完美结合。有一种蜂鸟可以每秒振翅100次。蜂鸟的心率可超过每分钟一千次(每秒17下),超高速运动的翅膀让它们能够悬停在花朵旁,从长喙伸出舌头舔舐花蜜。

在园丁和鸟类爱好者眼里,蜂鸟是“转瞬即逝的美”的最佳体现。这一切吸引着人们用高速摄像机记录这种小精灵的动作好剖析它们的运动,进而了解蜂鸟世界的奥秘。

蜂鸟仅分布在美洲。北起阿拉斯加,南至火地岛,错落分布着约340个已知蜂鸟种类。其中27种——包括最常见的红喉北蜂鸟——在美国有分布。

安第斯山脉北部可谓蜂鸟种群的大本营,大约有290种蜂鸟在此地的低地雨林和山顶云雾森林之间繁衍生息。

其中最小的体重不足2克。在秘鲁和智利发现的体形最大的巨型蜂鸟体重可达20克(单个鸡蛋均重50克)。

(Sources: CHRISTOPHER CLARK, UC RIVERSIDE; DOUG ALTSHULER, UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA; ANDREW IWANIUK, UNIVERSITY OF LETHBRIDGE, ALBERTA)

娇小的体型只是蜂鸟众多的特征之一。除了靠尺寸卖萌,蜂鸟的绝技还包括:唯一一种能在静止的空气中悬停30秒以上的鸟类;唯一一种能“不转身向后飞”的鸟类;地球上脊椎动物代谢率最高纪律保持者。

2013年多伦多大学一项研究显示,假如蜂鸟拥有人类的体型,每分钟需要喝340ml苏打水才能满足身体需要。由于消耗能量的速度实在太快,一只蜂鸟每天会吃下约为自身重量两倍的食物(花粉)。

蜂鸟用特殊的舌头进食。蜂鸟舌几乎透明,类似两片玻璃纸。当蜂鸟进食时,舌头以极快的频率来回伸缩。1852年,英国自然学家威廉·马丁(William Martin)猜测蜂鸟可能是通过毛细作用——液体由于表面张力在毛细管中向上流动——“吸食”花蜜。

加州大学伯克利分校博士后研究员黎各 - 格瓦拉(Alejandro Rico-Guevara)通过高速摄影发现,蜂鸟的舌头更像是在卷食而非吸食。两条舌管在1/100秒内的时间里伸展开,卷裹住花蜜后缩回,随后蜂鸟挤压长喙使液体食物进入食道。

得益于观测手段的进步,21世界的相机解答了19世纪科学家的疑惑。

(自然环境中条件复杂,蜂鸟必须具备及时躲避枝叶藤蔓的飞行能力。加州大学伯克利分校马克·巴格(Marc Badger)进行的实验中,蜂鸟能够灵活地调整姿态,穿过椭圆形的开孔。

Source:Robert Dudley)

上世纪三十年代,纳粹德国的科学家率先开始了对蜂鸟飞行的研究。在帝国电影部门的资助下,两位德国鸟类专家获得了一架能够以每秒钟1500帧的速度拍照的相机。

两人使用这架相机在柏林动物园拍摄两只南美蜂鸟的飞行。当时希特勒政府正在开发新型直升机,蜂鸟空中悬停的能力让人印象深刻,他们希望能从这种动物身上获得启发。

图像显示虽然蜂鸟被归为鸟类,但它的飞行方式却更类似于蜜蜂和苍蝇。蜂鸟翅膀在上挥和下挥时都能产生升力,这是它能保持空中悬停的秘诀,很多昆虫也具有这种能力。

1939年两位鸟类学家发表研究结论,将蜂鸟同德国的福克沃尔夫直升机进行了对比。

(图为研究者在给一只雄性吸蜜蜂鸟称重。蜂鸟背部着地的时候会陷入短暂的眩晕,不过很快它就会重新生龙活虎起来。实验中没有蜂鸟受到伤害。

Source: Christopher Clark, UC Riverside)

战争时期,科学家也要为国家卖力。在大西洋的另一边,科学家克劳福德·格林沃特(Crawford Hallock Greenewalt)也在用科学为盟军服务。为了抢在德国的战争狂人之前造出终极武器,美国召集一帮科学家启动曼哈顿计划,格林沃特便是其中一员。

在上文中德国鸟类学家发表研究成果十几年之后,格林沃特受妻子影响,对蜂鸟产生兴趣。1960年11月号的《国家地理》杂志上就刊登了他拍得的蜂鸟照片。

由于对当时市面上的高速摄影机不满意,格林沃特自己造了一个。他用自制的摄影机在自制风洞里拍摄蜂鸟飞行的姿态。格林沃特发现,随着风力不断加强,蜂鸟振翅的中轴线会由垂直向水平改变。

这些图像的意义是开创性的,但它们仍未解决为何蜂鸟可以如此快速地扇动翅膀。通常,肌肉收缩越快,产生的力量越小。若振翅力量太小,就无法保持空中悬停。

那么蜂鸟是如何做到速度与力量兼得的呢?

2011年,海瑞克(Tyson L. Hedrick)想出了新方法来回答这个问题。海瑞克当时是北卡罗来纳大学教堂山分校的研究员,专门从事动物生物力学的研究。

海瑞克已知,蜂鸟翅膀的结构与一般鸟类有很大不同。蜂鸟的肩部骨骼相对较小,大部分翅膀由手骨支撑。为了获得鸟翼在飞行状态的透视图,海瑞克将一台X光成像系统与一台高速摄像机组合在一起,每秒钟拍摄一千张X光片。

观看这些连续的X光片,海瑞克发现翼骨的细微运动表现出某种模式,无数的小动作相加起来带动翅膀扇动。海瑞克发现,蜂鸟并非单纯沿一个轴线上下振翅,而是有精巧的旋转。

这种振翅方式相当于给汽车挂上高档位,一厘米长的肌肉产生的力量足以带动翅膀进行大幅度运动。

(蜂鸟新陈代谢很快,为了避免饿肚子,它们会风雨无阻地觅食。图为一只安娜蜂鸟甩动身上的雨水。每次甩动持续1/4秒,其间头部承受的力量为重力的34倍。

更让人惊奇的是,蜂鸟可在飞行中完成甩水动作。Sources: Victor Ortega-Jimenez and Robert Dudley)

以前的高速摄像机笨重且复杂,操作困难,机动性也差。现在新型的高速摄像机体积小巧,可放入口袋,对于研究蜂鸟的生物学家来说,已经和望远镜一样成为随身必备物品。

对高帧率影像进行分析并非易事,为了方便对比,以1936年的电影《飘》为例:500帧的画面足够戏中人物唠叨完好几句台词了,而如今一秒之内就有500张画面,哪怕是总长度仅有几分钟的高帧率影像,分析起来的工作量也是惊人的。

(图为一只安娜蜂鸟伸出分叉的舌头吸食人造花蜜。为了满足身体代谢,蜂鸟每天进食量超过其体重。进食时,蜂鸟舌头每秒钟伸出缩回15次。花蜜中看上去有白色斑点,那是科学家为了保证蜂鸟在实验期间的健康,特意添加的蛋白粉和其他营养成分。

Source: Alejandro Rico-Guevara, UC Berkeley)

通过慢动作回放,科学家对困扰人们的蜂鸟飞行之谜有了更多了解。“有些东西你是无法用肉眼看到的,驾上高速摄像机,看到的景象会让你大开眼界。”克拉克说。

有些种类的蜂鸟会在俯冲时展开尾巴,发出啁啾的声音,这声音不是由声带发出的,而是尾羽震动空气发声。不同蜂鸟求偶的方式各不相同,某些蜂鸟会将振翅频率增加一倍,有些会用上更抢眼的单翼飞行特技。

安娜蜂鸟在俯冲的最后阶段掉头回升时,它受到的重力大约是标准重力的9倍。这个力量足以让专业飞行员——即便有专业服装保护——昏过去。

英属哥伦比亚大学生理学家Doug Altshuler赞叹蜂鸟能用与普通鸟类相同的身体完成非凡的事。对蜂鸟的研究刷新了人们对生物学的认知。

(图为一只安娜蜂鸟在斯坦福大学接受实验,房间特制的墙壁能够感应到蜂鸟每一次振翅所引起的空气震动。这个实验装置由Rivers Ingersoll和David Lentink设计,在此之前,研究者只能使用空气动力学理论推测鸟儿飞行时产生的各种力。

图:Anand Varma)

SOURCE: http://tech.163.com/17/0718/00/CPJ8V5I800097U81.html

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