鸟儿飞成一个“人”字,真的更省力!

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(文/FLORA LICHTMAN)鸟以羽聚,人以群分,但是为什么鸟聚在一起要飞人字形,一直没有一个确定的答案。但如今,14只装备了超轻感应器的隐鹮从奥地利飞越近千公里抵达意大利的托斯卡尼,在它们的帮助下研究者认为,正确的解释真的是人们长久以来一直这么觉得但始终没有完全证明的那一个:人字形帮助鸟类节省能量。

研究者们在《自然》最近一期上发表了文章,指出隐鹮飞行时会让自己身处空气动力学最优的位置,以便利用前面的鸟翼产生的上升气流。(带队的鸟得不到升力优势,所以隐鹮会定时更换队长。)

“多年来我们一直想知道,振翅飞翔的鸟类相互尾随到底能不能节约能量。”杰弗里·斯帕丁(Geoffrey Spedding),南加州大学航空与机械工程系主席说,他没有参与此项研究。“这项研究回答了这个疑问:答案是‘能’。”

21bird-1-superJumbo.jpg空中俯瞰典型的人字阵列。科学家发现这些隐鹮这样飞是利用了空气动力学。除了队长之外,每只鸟都能利用前面鸟生成的上升气流来节约能量。摄影/Markus Unsöld

这项研究关注的是隐鹮,但专家认为它也适用于别的飞人字形的鸟类,比如鹅、鸭子和鹈鹕。来自英国皇家兽医大学的吉姆·乌舍伍德(Jim Usherwood)和他的团队说,获取数据是一项重大挑战。这些隐鹮出生在维也纳动物园,每只都有像阿玛德斯、阿基米德、巴沙萨、埃玛(这鸟不能来俺们东北啊!)这样的好名字。它们是一项保育计划的一部分——该计划的目的是把这种极危的鸟类重新引入它在欧洲的天然分布区。

研究的几位作者也是这些隐鹮的养父母,带它们在奥地利萨尔茨堡做飞行训练。人类坐在伞翼机(一种轻型飞机,看起来像沙滩车上挂着一个降落伞)里飞行,鸟儿就跟着飞。

“随着飞行训练的进行,它们的人字阵列明显越来越好了。”论文作者之一、皇家兽医大学博士后斯蒂芬·波秋歌(Steven J. Portugal)说。

最终,在“养父母”的教导下鸟儿踏上一千公里的迁徙之路,从萨尔茨堡飞到意大利的奥尔贝泰洛。鸟儿身上带着定制的数据记录仪,允许研究者跟踪振翅状况、速度和方向。仪器重量不到30g,却包括加速度仪、陀螺仪、磁力计、记忆卡、电池、微控制器还有GPS(“比你手机上那个GPS强多了”,乌舍伍德说)。这个GPS可以精确到30厘米,每秒钟刷新5次——要想探测到鸟儿之间的相互位置,就得有这么高的精度。

“10年以前,要说这么小的体积、这么高的采样频率,还是完全不可能的。”波秋歌说。

21bird-2-superJumbo.jpg排成阵列的隐鹮。摄影/Markus Unsöld

用于分析数据的软件和硬件都是“巨大的进步,允许我们在自然环境下观测动物行为,”哈佛大学康科德野外考察站主任、有机和演化生物学教授安德鲁·毕文纳 (Andrew A. Biewener)说。他没有参与此项研究。

研究者分析了鸟类在7分钟飞行中的位置,比较了这些观测数据和空气动力学模型的理论预期。肯尼·布鲁尔(Kenny Breuer),布朗大学工程学教授和演化与生态教授,和他的同事戴维·威利斯(David Willis)等人一同计算出了这些预期。当翅膀向下推动空气,产生升力的时候,其它空气会向翅膀两侧升起、形成涡旋。飞机机翼也会产生类似涡旋,有时会留下可见的痕迹。

但是鸟类飞行扰动的气流远比飞机复杂许多。“这些尖端涡旋的力量随着振翼的阶段不同而变化”,布鲁尔博士说,“要想充分利用队长的气流,你要飞在最合适的位置上,而且在最恰当的时机振翅。”

对24000次振翅进行分析的结果表明,隐鹮能够调整它们的位置和振翅相位来从涡旋中获取最大的升力,当它们在阵列中交换位置之后还会重新调节。这项新研究没有说明这些动作到底能省下多少能量,但是长途迁徙中哪怕很小的节约也有很大效果。

另一个未解之谜是鸟类是怎么知道要飞在这些最佳位点上的。乌舍伍德博士说它们可能演化出了飞行的“经验规则”,或者“它们拥有强大的感官”,能够自我调整、寻找那些感觉最好的位点。

“我们已经规划了巧妙的实验,能够区分这两种可能性。”他说。

至于那些隐鹮,它们已经在2011年9月成功飞抵托斯卡尼。它们可能会在那里停留数年,然后如果一切顺利的话,再迁徙回萨尔茨堡。“今年春天将是它们考虑归来的第一年,”波秋歌博士说,“这会是至关重要的一年。”

Nature制作的讲解视频

本文编译自 New York Times: The Power of V: Conserving Energy

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