为什么蝙蝠是唯一能真正飞行的哺乳动物?

为什么蝙蝠是唯一能真正飞行的哺乳动物?

野狸子,形而上学

先说结论:蝙蝠这玩意儿能飞,可不是简单的进化的恩赐,更像是一场豪赌换来的残酷变异。蝙蝠的飞行机理

先聊聊蝙蝠是怎么飞的,根据空气动力学的研究,主要依赖于它的翼膜和翼手的骨骼结构。

蝙蝠的独特的翼膜结构

蝙蝠的翼膜和翼手这东西,听着挺高级,但你拿个 X 光一扫就明白了。

蝙蝠 X 光视角

翼手虽然看起来像是和鸟一样的翅膀,你仔细看就会发现,那根本不是传统的翅膀,而是是五根长得离谱的手指头。

不太好理解的话,你可以把自己的手张开,想象一下:你的食指、中指、无名指和小指,像拉面一样被疯狂拉长,一直扯到你的身高长度,然后手指之间再长一层带血丝的皮膜,嗯,差不多了。

对,这些连在一起的部分,可以认为是蝙蝠的“独特翅膀”。

那个皮膜薄到什么程度?

一起来感受下吹弹可破的感觉。

蝙蝠皮膜赏析 https://www.zhihu.com/video/2016262868547429593

需要注意的是,这个皮膜不是死皮,里面全是默克尔细胞和微血管,得益于这个结构,飞行时只要气流有一点微小的变化,蝙蝠的大脑就能敏锐捕捉。

不仅仅是皮膜特殊,你得知道,蝙蝠的翅膀跟昆虫的轻薄膜脉或者鸟的羽毛完全不一样。

它玩的是一种很极端的“翼身一体化”,简直就是个异类,整个飞行的翼从脖子一直连到脚踝,这意味着它没法像鸟那样自由旋转翅膀。想转弯的话,只能靠强行扭骨头和改变大腿的姿态。

蝙蝠翼的几何示意图

会不会飞起来很别扭呢,其实并不然,来看个视频,认识下蝙蝠的飞行。

蝙蝠飞行 https://www.zhihu.com/video/2016261930533271027

模型翼的变形示意图

简单来说,蝙蝠就是靠着鬼畜的骨骼主动变形和翼膜弹性被动变形,实现空中高机动,完美制霸飞行。这家伙通过调整翅膀上的那些骨膜,适应飞行航线搞出弓形弯曲和扭转,从而产生正相关的升力和恐怖的推力,甚至它翼膜上因为纤维各向异性导致的那种变形,还能微操优化在复杂气动下的升阻比曲线,完美地适应空气动力学。

这种飞行方式虽然变态,但是高效,完美的把“大力出奇迹”和“精细微操”融合在了一起。

目前那些顶级的柔性飞行器,不少都是受到蝙蝠这套仿生学启发而开展的。

柔性飞行器
柔性飞行器

拿命换来的飞行能力

既然飞起来这么爽,为什么别的哺乳动物不跟着学?

飞鼠的空中表演

话说飞鼠、蜜袋鼯这些动物也进化出了翼膜,看起来长得和蝙蝠差不多,为什么不能飞呢?

两个原因:第一,你拿 X 光给他们照一下,会发现,和蝙蝠不同,飞鼠的翼膜为简单皮肤褶皱,从前肢腕关节延伸到后肢踝关节,覆盖体侧,并没有蝙蝠那样奇葩的超长指骨支撑,就像前面说的,这从空气动力学上就失去了飞行的基础。

飞鼠 X 光片

另外,还有个你可能没注意的原因:蝙蝠飞行这事儿,太费命了。

没有恐怖的心脏,即使具备了飞行的条件,也很难飞的起来。

看到相关报道你就知道了,一只老鼠在地上跑,心跳大概一分钟三百上下;蝙蝠飞起来的时候,心率能飙到一分钟 900。

蝙蝠心率

蝙蝠的代谢率是同等体型奔跑哺乳动物的 3 到 15 倍。

这是什么概念?

相当于你每天什么都不干,身体就要消耗三个马拉松的消耗量,这种消耗量放别的哺乳动物身上,基因里的 DNA 链可能直接就干就崩了。

自由基的破坏机制

高耗氧带来的活性氧自由基,可以把细胞秒得连渣都不剩。

但蝙蝠扛住了,不光扛住了,这帮家伙为了修补疯狂飞行抠出来细胞损伤,还顺手把自己的免疫系统和 DNA 修复系统升了个级。

独特的蝙蝠天然免疫系统

据相关研究,蝙蝠的免疫系统机制,在强化宿主防御反应和免疫耐受之间实现了良好的动态平衡

一方面,蝙蝠的免疫系统具有增强的免疫防御机制,能够迅速识别并清除大部分入侵的病毒;另一方面,对于一些难以清除的病毒,蝙蝠的免疫系统则选择与其“和谐相处”,通过独特的耐受机制,避免发生过度的免疫反应造成自身受损。

这种平衡使得蝙蝠能在携带多种病毒的同时保持健康,成为自然界中的“超级病毒储库”

这就是为什么它们能带着一身极其恐怖的病毒到处飞,自己却啥事没有。

但是也不用担心,根据科学研究,不论如何,蝙蝠所携带的许多病毒,如果不首先经历自然演化过程,通常不会感染人类。

也就是说,蝙蝠携带的是祖先病毒,而不是引起人类疾病的直接病原体。

而且几千年前蝙蝠为了能上天飞,就构建的这套免疫耐受机制,目前正在给专家学者开发抗衰老、抗癌策略以及治疗人类炎症性疾病提供重要启示。

一场没有回头路的绝命豪赌

还有个细节,好多专家以前一直吵个没完,蝙蝠到底是先会飞,还是先会的超声波定位?

这个问题困扰了大家半个世纪。

岡氏伊神蝠

后来美国挖出来个叫岡氏伊神蝠的化石,这官司才算打完。

结论证明,蝙蝠这个家伙是先把自己扔上天,然后再慢慢捣鼓出那套雷达系统的。

你品品这个过程有多疯狂。

在夜里的树林里,眼睛本来就不好使,超声波雷达还没装配到位,小小的蝙蝠,就敢从几十米高的树上跳下去飞行,这不是自然进化,这是在拿命梭哈。

失败的那些全摔死了,基本上连个全尸的化石都没留下。

活下来的,就成就了今天这唯一一个拿到哺乳动物制空权的兄弟,这是这个族群拿命搏出来的。

自然界是残酷的,哪有什么天降神兵。

看着毫不费力的奇迹,背后往往是艰辛而又惨烈的代价。


参考来源:
  1. 蝙蝠 - 维基百科
  2. 蝙蝠飞行的空气动力学研究进展
  3. Bilibili《蝙蝠飞行方式的研究》
  4. 蝙蝠作为唯一能持续飞行的哺乳动物,其免疫系统与病毒共存机制引发科学关注
  5. anatomytoyou.com/2016/0
  6. See the Nighttime Acrobatics of Montana’s Flying Squirrels
  7. Bats can ramp up their heart rate to 900 beats per minute
  8. 自由基產生及清除系統簡介
  9. 探祕蝙蝠演化史:迄今最早蝙蝠骨骸揭示 5200 萬年前的「古怪」故事