一种不只是为迁徙而生的候鸟
欧洲夜鹰每年都会在欧洲和非洲南部之间完成非凡的迁徙，但迁徙只是其空中生活的一部分。夜间，这种鸟会在飞行中捕捉昆虫，这项活动需要一套截然不同的能力：减速、急转弯，以及在低速下保持控制。
隆德大学的一项新研究显示，这些相互竞争的需求体现在夜鹰的飞行力学中。这项发表于《PLOS Biology》的研究描述了一种翅膀设计：它似乎是一种折中方案，而非专门为高效长距离飞行打造的单一解决方案。
这一结论挑战了人们对候鸟的一种常见假设。人们很容易把长距离迁徙的鸟类想象成主要为经济、高效的持续飞行而优化的动物。然而，夜鹰还必须是敏捷的夜间猎手。它的翅膀必须同时承担这两种功能。
在风洞中测试飞行
研究人员让夜鹰以不同速度在风洞中飞行，并测量其身后的气流。这样一来，研究团队就能考察这些鸟类在整个飞行速度范围内如何产生升力和推力，而不是仅凭翅膀形状推断其性能。
研究结果指出，鸟类宽大的翼尖会带来一定代价。鸟类低速飞行时，这些翼尖可能很有用，而低速飞行对捕捉昆虫和机动转向都十分重要。但研究发现，随着速度提高，升力产生的效率会降低。
隆德大学副教授Christoffer Johansson将这一结果描述为不同空气动力学需求相互竞争的证据。夜鹰在捕猎时能够低速飞行并灵活机动，但这种能力也伴随着高速飞行时升力产生效率的下降。
重要的并不是这只鸟适应得不好。相反，这项研究表明，适应性分散在多种需求之间。一副翅膀之所以成功，可能是因为它能够胜任多项彼此牵制、对设计方向提出不同要求的任务，而且表现足够出色，甚至非常优秀。
为什么低速飞行很重要
对于一只夜间在空中捕捉昆虫的鸟来说，低速操控能力并非偶然具备的特征。它必须在应对猎物和改变方向的同时保持飞行。宽大的翼尖有助于支撑这种飞行方式，即便同样的构型在速度提高时无法产生最高效的升力。
迁徙又增加了另一项需求。欧洲夜鹰在繁殖地和非繁殖地之间往返数千公里，这意味着它的身体和翅膀还必须支持持续飞行。这项新研究将这些功能之间看似存在的矛盾界定为一种生物学上的权衡。
这类权衡是进化的核心。动物并不是从一张白纸出发，只为某一种环境而设计；它会承受所有影响生存和繁殖任务所带来的后果。就夜鹰而言，对低速捕猎和精确机动的需求，似乎反映在其高速飞行时翅膀的表现上。
研究结果还清楚表明，仅凭迁徙距离等单一指标，无法完全解释鸟类翅膀的形态。飞行性能取决于动物一生中的活动，包括它使用的速度，以及觅食时必须完成的机动动作。
主动上挥翼
研究人员还做出了第二个出人意料的观察：夜鹰在翅膀向上运动时也会产生推力。在许多关于鸟类飞行的描述中，下挥翼受到的关注最多，因为它通常与产生力量联系在一起。隆德大学的研究表明，对于夜鹰而言，上挥翼也能主动参与推进。
此前，主动上挥翼产生推力主要与蝙蝠和昆虫有关，而不是鸟类。Johansson表示，这一结果说明，相似的空气动力学解决方案可能在截然不同的动物身上独立出现。
这种趋同现象很重要，因为蝙蝠、昆虫和鸟类并不拥有相同的翅膀结构。然而，它们的飞行仍可能受到相似物理限制的塑造。这项研究表明，上挥翼不一定只是被动动作，也不必只用于产生升力。当翅膀无法大幅折叠时，上挥翼同样可以用来产生推力。
对于夜鹰来说，考虑到其翅膀形态以及需要完成多种飞行任务的现实，这一点可能尤其重要。这项研究并没有把这种动物的运动简化为一次简单的动力下挥和随后的恢复上挥。相反，它指出整个振翅周期都在持续发挥作用。
对飞行技术的启示
这项研究的意义超出了鸟类生物学。研发飞行机器人的工程师经常面对同样的广泛问题：飞行器可能既需要高效前进，也需要悬停、减速、转弯，或在狭小空间内运行。在一项任务上表现出色的设计，可能会在另一项任务中损失性能。
夜鹰提供了一个在这些限制下运行的自然系统范例。它的翅膀并不是只针对某一种速度或某一项任务的理想化答案，而是在缓慢、灵活的捕猎飞行与长距离移动之间实现了切实可行的平衡。
这种平衡正是研究的核心发现。欧洲夜鹰的迁徙仍然令人惊叹，但它的翅膀不能仅被理解为完成洲际旅程的装备。它们同样是猎手的工具，而这种多功能性带来的空气动力学代价，会在鸟类飞行速度提高时显现出来。
通过在受控条件下测量活体鸟类产生的气流，隆德大学团队提供了证据，表明这种折中不仅体现在解剖结构上，也体现在机械性能上。夜鹰的飞行并不是由某个单一的最优状态定义的，而是由这只鸟必须具备的能力所定义。
本文根据Phys.org的报道编写。阅读原文。
Originally published on phys.org
