為什么只有這三類脊椎動(dòng)物，征服了天空？

審核專家：冉浩 知名科普作家

在藍(lán)天中翱翔是人類長久以來的夢想，早在公元前500年就有人把自己綁在風(fēng)箏上，試圖從天空俯瞰大地。

1783年，人類實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)飛行器載人飛行。1902年，人類又實(shí)現(xiàn)了自主供能的重質(zhì)飛行器載人飛行。從最早設(shè)想在空中飛翔到最終實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想，人類用了2000多年。

1783年法國孟格菲兄弟（Montgolfier brothers）進(jìn)行熱氣球載人實(shí)驗(yàn)的繪畫來源丨維基百科

其實(shí)在四足動(dòng)物界，早已有物種先于人類從空中看到了地面的風(fēng)景。第一次脫離地面，從天空俯瞰世界的是2億多年前出現(xiàn)在地球上的翼龍。隨著物種的不斷演化，鳥類和蝙蝠也開始在天空中飛行，而且比起人類來說，它們不需要借助任何工具。

那么，翼龍、鳥類還有蝙蝠都是怎么飛起來的呢？

飛向藍(lán)天的奧秘

不管是翼龍、鳥類還是蝙蝠都長著翅膀。翅膀這一結(jié)構(gòu)是它們能夠飛行的基礎(chǔ)。

根據(jù)伯努利原理，在低速的流體中，流速小的地方壓強(qiáng)大，流速大的地方壓強(qiáng)小。翼龍、鳥類以及蝙蝠起飛時(shí)，空氣（即流體）一接觸翅膀便被翅膀前端切割為上下兩部分。由于翅膀存在一定的弧度，所以上下兩部分空氣在通過翅膀時(shí)經(jīng)過的距離并不相同。

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空氣經(jīng)過翅膀上方的距離長，經(jīng)過翅膀下方的距離短，而通過時(shí)間相等，因此空氣在翅膀上方的流速快，在翅膀下方的流速慢，這就導(dǎo)致翅膀上方的壓強(qiáng)小于翅膀下方的壓強(qiáng)，于是就產(chǎn)生了向上的力，正是依托產(chǎn)生的升力，翼龍、鳥類以及蝙蝠得以脫離地面，飛向天空。

前面解釋了翼龍、鳥類、蝙蝠飛行的基本原理，但是在實(shí)際飛行過程中，三者的飛行方式存在著一些差異。

來源｜互動(dòng)科普

翼龍的翅膀（通常我們稱之為翼膜）僅由一根伸長的手指支撐，這種結(jié)構(gòu)決定了翼龍無法像鳥類那樣高速飛行。

風(fēng)神翼龍?jiān)诘孛婊顒?dòng)的想象圖來源丨維基百科某些翼龍?bào)w型巨大，飛行時(shí)非常依賴氣流，這樣能使它們更輕松地離開大地。通過模擬實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們推測翼龍飛行時(shí)速度不快，而且飛行方式比較簡單。

鳥類的飛行方式很多，比如撲翼、滑翔、盤旋等，這與鳥類的翅膀形狀和大小、肌肉強(qiáng)度等因素有關(guān)。一般來說，鳥類的翅膀有4類：橢圓型、高速型、大展弦比型以及帶翼縫大升力型。

橢圓型翅膀又短又圓，這種翅膀適合快速起飛及轉(zhuǎn)彎，擁有這種翅膀的鳥兒能夠自如地在林中穿梭，啄木鳥、喜鵲就屬于這一類型。

喜鵲 來源丨維基百科

高速型翅膀短且尖，能夠幫助鳥兒達(dá)到較高的飛行速度并在空中捕食，蜂鳥、燕子是這一類型的代表。

蜂鳥 來源丨維基百科

大展弦比型翅膀長、窄、平，能夠較好地利用風(fēng)速的差異帶著鳥兒在天空中滑翔，飛過一望無際的大海，信天翁等海鳥的翅膀多是這一類型。

信天翁 來源丨unsplash

帶翼縫大升力型翅膀能夠較大程度減少空氣阻力，并利用熱氣流讓鳥兒在陸地上緩慢地飛行，多見于禿鷲、貓頭鷹等猛禽。

禿鷲 來源丨pixabay
蝙蝠的翅膀與翼龍的有相似之處，但是支撐蝙蝠翅膀的手指有4根，這使得蝙蝠的翅膀穩(wěn)定性更高，因此蝙蝠對飛行的控制能力要高于翼龍。

但是由于后肢不夠發(fā)達(dá)，跳躍能力退化，蝙蝠很難像鳥類一樣從地面起飛。因此蝙蝠的起飛方式相當(dāng)特別——采用倒掛的姿勢起飛。

蝙蝠 來源丨維基百科

會(huì)飛的都是親戚嗎？

脊椎動(dòng)物中，僅有翼龍、鳥類和蝙蝠真正突破了地面空間，飛向了廣闊的天空。根據(jù)生物學(xué)分類，翼龍屬于爬行動(dòng)物，蝙蝠屬于哺乳動(dòng)物，鳥類則演化自恐龍，與這兩類并列。這三者之間是遠(yuǎn)緣的，都是各自獨(dú)立演化出了翅膀。那么為什么它們有類似的結(jié)構(gòu)，并且都會(huì)飛呢？

生物學(xué)家將這種現(xiàn)象稱為趨同演化。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能是由于它們的祖先長期生活在相同或相近的環(huán)境下而產(chǎn)生的趨同演化。

為了適應(yīng)環(huán)境，生物會(huì)演化出特定的結(jié)構(gòu)，演化出特定的功能，而相似的環(huán)境使得他們朝著相似的方向演化，于是便出現(xiàn)了形似的翅膀、會(huì)飛的功能等。類似的案例還有中生代的海生爬行動(dòng)物魚龍與現(xiàn)代的海豚外形相似、鼴鼠與螻蛄具有形狀相似的挖掘前肢（前足）等。

魚龍化石（上）和海豚（下）來源丨維基百科雖然人類沒有演化出翅膀，不能實(shí)現(xiàn)自主飛行，所幸人類可以運(yùn)用智慧，研究飛行動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)，探索它們的飛行奧秘，并利用其中的原理設(shè)計(jì)制造各種機(jī)械裝置，以實(shí)現(xiàn)長久以來的飛行夢。

動(dòng)物最初的起飛大概率是為了生存——或是為了躲避天敵，或是為了捕捉獵物；而人類起飛是為了發(fā)展，為了改變，為了突破。不管初衷為何，在升上天空的過程中，無論是翼龍、鳥類、蝙蝠，還是人類，都已在地球的歷史上記下了濃墨重彩的一筆。