蜂鳥「手速」可達100次/秒 構造堪稱奇蹟

蜂鳥翅膀的振動頻率超越了人眼感知的極限，高速攝像機幫助科學家揭示這種神奇鳥兒的飛行秘密。 為了追尋世界上體型最小的鳥類，鳥類學家克里斯托弗·克拉克（Christopher Clark）來到古巴。他帶來了滿滿一車的科研設備：相機、聲學儀器、還有一個立方體的籠子。

譯者|孫文文

（科學家用視錯覺圖研究鳥類飛行對視覺的依賴程度。當螺旋盤呈現逼進的假象時，蜂鳥會切換到「倒檔模式」，鳥喙從汲水器中滑出。圖中的實驗對象是一隻安娜蜂鳥，這種蜂鳥原產南美洲，以色彩亮麗的羽毛而知名。Sources：Benny Goller and Doug Altshuler, University of British Columbia, Vancouver）

蜂鳥像一隻長了翅膀的子彈在灌木叢中飛速穿梭，即便在停止移動進食花蜜時，它的翅膀仍然以極高的頻率震動。由於振動頻率太高，人眼只能看到一塊扇形的灰影。

蜂鳥是世界上體型最小的鳥類，而古巴吸蜜蜂鳥（Mellisuga helenae）又是其中最為渺小者。它們的個頭通常只有3厘米左右，體型雖小，飛行能力卻不輸同類，速度與持久性和其他蜂鳥無異。吸蜜蜂鳥紅冠綠衣，體重僅比一顆杏仁多一點。古巴當地人稱管它叫作「zunzuncito」——得名於它飛行時發出的嗡嗡聲。

（英屬哥倫比亞大學的研究者通過觀察安娜蜂鳥在不同圖案環境下的飛行姿態了解蜂鳥如何處理飛掠眼旁的景色。人們猜測蜂鳥可能會根據景物高度的變化——比如圖片中的水平線條——來避免發生碰撞。Sources：Roslyn Dakin and Doug Altshuler）

蜂鳥用積極和熱情彌補自己體型上的不足。在發現一隻雌蜂鳥光顧了自己的領地之後，雄蜂鳥難掩心中激動，開始獨特的炫技表演。先是如直升機一般飛到高空，在高處盤旋，對著下方的雌鳥鳴叫。

雄鳥繼續升高，直到最後變成天空中一個小黑點。突然，就像過山車到達最高點，蜂鳥開始向地面俯衝。這種升高和俯衝的表演會重複多次，最後雄鳥飛出視線，只留樹葉被氣流擾動。

（慢鏡頭展示蜂鳥絕美畫面）

即便是資深鳥類學家，克拉克也無法單憑肉眼看清蜂鳥的動作。他使用每秒500幀的高速攝像機——普通手機拍攝視頻不過每秒30幀——拍下蜂鳥的運動影像，他是首位用高速攝像頭拍攝吸蜜蜂鳥的人。克拉克在筆記本電腦上回放視頻，只有這樣，人類才能拿看到蜂鳥速度背後所隱藏的令人驚嘆的動作。

此前的八年時間裡，克拉克從亞利桑那州的沙漠遠涉到厄瓜多的雨林，又來到古巴的鄉村，用攝影機記錄下蜂鳥的求偶表演。在加州大學河濱分校的實驗室，鳥類教授觀看搜集到的視頻影像，對蜂鳥飛行情況提出見解。這些研究幫助人們了解一般鳥類的飛行以及蜂鳥奇異的求偶方式。

（大多數鳥類都是用向下揮動翅膀來獲得升力。蜂鳥懸浮能力的秘密在於其翼運動的近乎對稱性，這使得它無論朝哪個方向揮動翅膀都可獲得升力。研究者使用超聲波霧化器讓空氣中充滿水霧，根據水霧的的軌跡反推安娜蜂鳥翅膀的運動方式。Sources：Victor Ortega-Jimenez and Robert Dudley, UC Berkeley; Doug Altshuler, University of British Columbia, Vancouver）

（實驗人員用風洞觀測蜂鳥在空速35英里環境下的飛行機制。圖為加州大學河濱分校用一隻黑頦北蜂鳥進行實驗，實驗目的是探究雄蜂鳥在求偶時進行的俯衝表演是否與其飛行能力有關。意即：表演最複雜的雄鳥是否擁有最快的飛行能力？在風箱中添加水霧方便研究者觀察翅膀扇動引起空氣運動的軌跡。Sources：Sean Wilcox and Christopher Clark）

蜂鳥行動迅速羽毛艷麗，是肌肉、羽毛和絢麗色彩的完美結合。有一種蜂鳥可以每秒振翅100次。蜂鳥的心率可超過每分鐘一千次（每秒17下），超高速運動的翅膀讓它們能夠懸停在花朵旁，從長喙伸出舌頭舔舐花蜜。在園丁和鳥類愛好者眼裡，蜂鳥是「轉瞬即逝的美」的最佳體現。這一切吸引著人們用高速攝像機記錄這種小精靈的動作好剖析它們的運動，進而了解蜂鳥世界的奧秘。

蜂鳥僅分布在美洲。北起阿拉斯加，南至火地島，錯落分布著約340個已知蜂鳥種類。其中27種——包括最常見的紅喉北蜂鳥——在美國有分布。安第斯山脈北部可謂蜂鳥種群的大本營，大約有290種蜂鳥在此地的低地雨林和山頂雲霧森林之間繁衍生息。其中最小的體重不足2克。在秘魯和智利發現的體形最大的巨型蜂鳥體重可達20克（單個雞蛋均重50克）。

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

嬌小的體型只是蜂鳥眾多的特徵之一。除了靠尺寸賣萌，蜂鳥的絕技還包括：唯一一種能在靜止的空氣中懸停30秒以上的鳥類；唯一一種能「不轉身向後飛」的鳥類；地球上脊椎動物代謝率最高紀律保持者。2013年多倫多大學一項研究顯示，假如蜂鳥擁有人類的體型，每分鐘需要喝340ml蘇打水才能滿足身體需要。由於消耗能量的速度實在太快，一隻蜂鳥每天會吃下約為自身重量兩倍的食物（花粉）。

蜂鳥用特殊的舌頭進食。蜂鳥舌幾乎透明，類似兩片玻璃紙。當蜂鳥進食時，舌頭以極快的頻率來回伸縮。1852年，英國自然學家威廉·馬丁（William Martin）猜測蜂鳥可能是通過毛細作用——液體由於表面張力在毛細管中向上流動——「吸食」花蜜。

加州大學伯克利分校博士後研究員黎各 - 格瓦拉（Alejandro Rico-Guevara）通過高速攝影發現，蜂鳥的舌頭更像是在卷食而非吸食。兩條舌管在1/100秒內的時間裡伸展開，卷裹住花蜜後縮回，隨後蜂鳥擠壓長喙使液體食物進入食道。得益於觀測手段的進步，21世界的相機解答了19世紀科學家的疑惑。

（自然環境中條件複雜，蜂鳥必須具備及時躲避枝葉藤蔓的飛行能力。加州大學伯克利分校馬克·巴格（Marc Badger）進行的實驗中，蜂鳥能夠靈活地調整姿態，穿過橢圓形的開孔。Source：Robert Dudley）

上世紀三十年代，納粹德國的科學家率先開始了對蜂鳥飛行的研究。在帝國電影部門的資助下，兩位德國鳥類專家獲得了一架能夠以每秒鐘1500幀的速度拍照的相機。兩人使用這架相機在柏林動物園拍攝兩隻南美蜂鳥的飛行。當時希特勒政府正在開發新型直升機，蜂鳥空中懸停的能力讓人印象深刻，他們希望能從這種動物身上獲得啟發。

圖像顯示雖然蜂鳥被歸為鳥類，但它的飛行方式卻更類似於蜜蜂和蒼蠅。蜂鳥翅膀在上揮和下揮時都能產生升力，這是它能保持空中懸停的秘訣，很多昆蟲也具有這種能力。1939年兩位鳥類學家發表研究結論，將蜂鳥同德國的福克沃爾夫直升機進行了對比。

（圖為研究者在給一隻雄性吸蜜蜂鳥稱重。蜂鳥背部著地的時候會陷入短暫的眩暈，不過很快它就會重新生龍活虎起來。實驗中沒有蜂鳥受到傷害。Source: Christopher Clark, UC Riverside）

戰爭時期，科學家也要為國家賣力。在大西洋的另一邊，科學家克勞福德·格林沃特（Crawford Hallock Greenewalt）也在用科學為盟軍服務。為了搶在德國的戰爭狂人之前造出終極武器，美國召集一幫科學家啟動曼哈頓計劃，格林沃特便是其中一員。在上文中德國鳥類學家發表研究成果十幾年之後，格林沃特受妻子影響，對蜂鳥產生興趣。1960年11月號的《國家地理》雜誌上就刊登了他拍得的蜂鳥照片。

由於對當時市面上的高速攝影機不滿意，格林沃特自己造了一個。他用自製的攝影機在自製風洞里拍攝蜂鳥飛行的姿態。格林沃特發現，隨著風力不斷加強，蜂鳥振翅的中軸線會由垂直向水平改變。

這些圖像的意義是開創性的，但它們仍未解決為何蜂鳥可以如此快速地扇動翅膀。通常，肌肉收縮越快，產生的力量越小。若振翅力量太小，就無法保持空中懸停。那麼蜂鳥是如何做到速度與力量兼得的呢？

2011年，海瑞克(Tyson L. Hedrick)想出了新方法來回答這個問題。海瑞克當時是北卡羅來納大學教堂山分校的研究員，專門從事動物生物力學的研究。海瑞克已知，蜂鳥翅膀的結構與一般鳥類有很大不同。蜂鳥的肩部骨骼相對較小，大部分翅膀由手骨支撐。為了獲得鳥翼在飛行狀態的透視圖，海瑞克將一台X光成像系統與一台高速攝像機組合在一起，每秒鐘拍攝一千張X光片。

觀看這些連續的X光片，海瑞克發現翼骨的細微運動表現出某種模式，無數的小動作相加起來帶動翅膀扇動。海瑞克發現，蜂鳥並非單純沿一個軸線上下振翅，而是有精巧的旋轉。這種振翅方式相當於給汽車掛上高檔位，一厘米長的肌肉產生的力量足以帶動翅膀進行大幅度運動。

（蜂鳥新陳代謝很快，為了避免餓肚子，它們會風雨無阻地覓食。圖為一隻安娜蜂鳥甩動身上的雨水。每次甩動持續1/4秒，其間頭部承受的力量為重力的34倍。更讓人驚奇的是，蜂鳥可在飛行中完成甩水動作。Sources: Victor Ortega-Jimenez and Robert Dudley）

以前的高速攝像機笨重且複雜，操作困難，機動性也差。現在新型的高速攝像機體積小巧，可放入口袋，對於研究蜂鳥的生物學家來說，已經和望遠鏡一樣成為隨身必備物品。對高幀率影像進行分析並非易事，為了方便對比，以1936年的電影《飄》為例：500幀的畫面足夠戲中人物嘮叨完好幾句台詞了，而如今一秒之內就有500張畫面，哪怕是總長度僅有幾分鐘的高幀率影像，分析起來的工作量也是驚人的。

（圖為一隻安娜蜂鳥伸出分叉的舌頭吸食人造花蜜。為了滿足身體代謝，蜂鳥每天進食量超過其體重。進食時，蜂鳥舌頭每秒鐘伸出縮回15次。花蜜中看上去有白色斑點，那是科學家為了保證蜂鳥在實驗期間的健康，特意添加的蛋白粉和其他營養成分。Source: Alejandro Rico-Guevara, UC Berkeley）

通過慢動作回放，科學家對困擾人們的蜂鳥飛行之謎有了更多了解。「有些東西你是無法用肉眼看到的，駕上高速攝像機，看到的景象會讓你大開眼界。」克拉克說。

有些種類的蜂鳥會在俯衝時展開尾巴，發出啁啾的聲音，這聲音不是由聲帶發出的，而是尾羽震動空氣發聲。不同蜂鳥求偶的方式各不相同，某些蜂鳥會將振翅頻率增加一倍，有些會用上更搶眼的單翼飛行特技。安娜蜂鳥在俯衝的最後階段掉頭回升時，它受到的重力大約是標準重力的9倍。這個力量足以讓專業飛行員——即便有專業服裝保護——昏過去。

英屬哥倫比亞大學生理學家Doug Altshuler讚歎蜂鳥能用與普通鳥類相同的身體完成非凡的事。對蜂鳥的研究刷新了人們對生物學的認知。

（圖為一隻安娜蜂鳥在斯坦福大學接受實驗，房間特製的牆壁能夠感應到蜂鳥每一次振翅所引起的空氣震動。這個實驗裝置由Rivers Ingersoll和David Lentink設計，在此之前，研究者只能使用空氣動力學理論推測鳥兒飛行時產生的各種力。圖：Anand Varma）

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