研究發現：鳥類從未進化出“完美”翅膀

對大多數鳥類來說，在飛行這件事上，“夠用就行”似乎就足夠了。

鳥類生理構造非常適合飛行：體型小、骨骼中空，翅膀和尾部的羽毛大體對稱。鳥類的進化是為飛行而優化的，這似乎是理所當然的事，但一項新研究表明，情況并非那么一目了然。

《自然·通訊》上近期一項研究的結論聽起來相當反直覺：大多數鳥類的翅膀似乎并非為達到最高飛行效率而設計，也沒有針對其飛行方式進行完美的精細調節。更有甚者，研究中擁有最優化翅膀形狀的鳥類是蜂鳥和企鵝——后者用翅膀是為了高效游泳，而非空中飛行。研究人員用一種方法分析了1139張鳥類翅膀圖像，該方法能在不對“最優”翅膀形狀構成預設的情況下，檢驗不同翅膀形狀的相對性能。

“對許多鳥類來說，飛行的功能性制約——產生升力、克服阻力、急轉彎的需要——并沒有強烈影響翅膀的形狀，”英國布里斯托大學的博士研究員本頓·沃爾特斯告訴我們。“對某些類群來說，這些壓力導致了最優翅膀形狀的進化，但這是例外，并非普遍規律。”

翅膀加一點祈禱

關于為什么有些動物進化出了飛行能力，竟然存在一場異常活躍而激烈的爭論。這一討論可追溯到19世紀80年代，但這些假說無法檢驗，因此，根據已故鳥類學家約翰·哈欽森在加利福尼亞大學古生物學博物館一篇博文中的說法，這是一場“毫無意義的爭論”。所以，哈欽森補充說，研究人員更喜歡關注哪些特征讓飛行成為可能。論文解釋說，對現代鳥類來說，翅膀是“支撐飛行的結構”，而鳥類“采取了多樣化的飛行方式，翅膀形狀也呈現出高度變異性”。

但研究人員越是深入探究這種多樣性，對于通向現代鳥類翅膀的進化路徑就越不確定。

翅膀生來……是為了飛行？

沃爾特斯和同事試圖檢驗一項傳統的、也可以說符合直覺的假設，即鳥類翅膀在進化中為飛行做了最佳優化。原因很簡單：自然選擇決定了，越適應環境和生活方式，動物生存的機會就越大。如果飛行能幫助鳥類躲避天敵或嚴寒天氣，還能找到更好的食物，那么翅膀難道不應該自然而然趨向于成為自身的最優版本嗎？

“這就是所謂的適應主義思維，”沃爾特斯對我們說。“既然飛行是一種要求苛刻的移動方式，并且在大約一億多年的時間里已經極大地改變了鳥類的身體結構，那么鳥類理應進化出形狀最優的翅膀。”

定義“最優”

然而，沃爾特斯說，通常“很難——如果不是不可能的話——判定某只動物是否最優，因為單靠觀察現存動物，無從知道觀察到的最好形狀是否就是全面最優的”。為了繞過這個難題，團隊選擇了理論形態空間分析。這種方法會針對特定的飛行方式識別出最優的進化形狀，而不是先入為主地認定鳥類當前的翅膀形狀就是最優的。

沃爾特斯說，該研究分析了1139張鳥類翅膀圖像，并考慮了像動力翱翔這樣的“特化”飛行方式，以及長途遷徙物種的飛行方式。他補充說，正如預期，像鴕鳥這樣的不會飛的鳥類，其翅膀“相當不理想”。

但分析也確實發現了一些鳥種，其實證翅膀形狀與預測的最優形狀非常接近，也就是蜂鳥和企鵝家族的成員。具有高能耗飛行方式（例如空中捕食飛蟲）的鳥類，其翅膀優化程度往往也更高。沃爾特斯解釋說，正如預期，像鴕鳥這樣不會飛的鳥類，翅膀“相當不理想”。

演化是復雜的

然而總體來看，對大多數鳥類來說，“在飛行這件事上，‘夠用就行’似乎就足夠了，”沃爾特斯在一份大學聲明中說。這話甚至適用于信天翁——一種特化的長距離飛行高手，因其卓越的飛行技藝而持有吉尼斯世界紀錄。

“阻止它們變得更優的原因，很可能在于它們必須著陸，這件事對信天翁來說已經很困難，但又是繁衍所必需的，”他沉思道。“理論上，一只擁有更薄、更長、更優翅膀的信天翁或許無法安全起飛和降落，因此即使翅膀形狀更適合飛行，它也無法存活下來。”

“這項研究采用了一種有趣的方法，豐富了我們關于鳥類飛行的知識，”香港中文大學古生物學家邁克爾·皮特曼在電子郵件中說。“關于鳥類飛行，還有很多東西需要了解，而且利用這些知識為社會提供仿生工程解決方案的巨大潛力尚待開發，”沒有參與這項新研究的皮特曼補充道。

總的來說，這些發現表明，一個“合乎邏輯”的假說未必就是大自然的意圖。沃爾特斯說，許多人類的設計，如飛機機翼和螺旋槳，都是模仿鳥類，但我們或許應該“有選擇性地從動物身上汲取靈感”。

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