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疯狂生物学:人类从蜻蜓身上获得科技的史诗级突破

寰球财料
寰球财料
2021-09-09 11:54:06

从空中狩猎是进化中最复杂的壮举之一,在三个维度上为世界导航,战胜了那些已经进化出的猎物是不小的成就,当我们想到空中捕食者时,我们的脑海中可能会浮现出像游隼这样凶猛的鸟类,它们有时会从猎物身边俯冲而过,然后从猎物下方放大,在半空中将其攫取,一项研究表明,它们的总体狩猎成功率为23.1%,其他空中捕食者如鹰,从它们的鸟群中挑出个别的猎物,其成功率类似于22.5%,猫头鹰等鸟类通过把猎物钉在地上来捕食,缺乏发达的空中捕猎技术,但仍然只有25%左右的成功率,地球上的其他优势捕食者很少超过这些数字,狮子的成功率还不到30%,最好的陆地上的猎人成功率高达67%,与地球上最伟大的猎手相比,这个数字仍然相形见绌,而要找到这种捕食者,你必须把目光投向在水体附近盘旋、拥有美丽翅膀和巨大复眼的小得多的东西,蜻蜓的狩猎是百分之百,蜻蜓属于最古老的昆虫纲之一

它已经存在了近乎3.2亿年,它们在化石记录中的存在是比较干净的,另一方面它们的大小也发生了巨大的变化,与现在的蜻蜓相比,古代的蜻蜓是个巨人,蜻蜓的形态是怎样的,让它可以说是当今最有效的捕食者,而如果这个特殊的身体计划是如此有效,为什么它在几千年中逐渐变得如此之小,为什么进化论让我们失去了一个几乎一米长的空中巨兽统治天空的世界,在它们的头的下面发现了锋利的牙齿,坐标的特点是有一个可自由移动的头,非常短的天线,大而高度发达的复眼,三个单眼和两对长翅膀,已灭绝的蜻蜓和现存的蜻蜓之间唯一的区别是它们的大小,一些古生代的物种被认为有超过七十厘米的翼跨,而现存最大的物种几乎没有超过16厘米的翼展,雄性和雌性很容易被发现在水生栖息地周围栖息和飞行,由于蜻蜓的卵必须产在水中,它们一般以蠓虫和其他栖息在该地区的小飞虫为食,并在飞行中猎取和吃掉它们,而且尽管被认为是相对原始的昆虫,蜻蜓拥有所有动物中最独特和最壮观的飞行适应性,使它们既能达到快速的空中速度,又具有惊人的灵活性,它们拥有其他昆虫所没有的东西以及直接飞行的肌肉,大多数有翅膀的昆虫都有所谓的间接飞行肌肉,这些肌肉附着在胸腔壁上,使胸腔在它们扩张和收缩时形成,震动传递给翅膀,使它们振动并启动拍打运动,大多数间接飞行的肌肉都有自己的优势蜻蜓反而有单独的肌肉,直接附着在它们四个翅膀的底部,能够单独拽住每个翅膀,使它们能够在所有三个轴上独立地移动和指挥它们的四个翅膀,意味着它们可以控制它们的水平垂直和扭转运动,赋予它们精确性和灵活性,这是大多数具有间接飞行肌肉的昆虫所无法比拟的,由于这种独立的控制,蜻蜓是少数能够在所有六个方向推动自己的昆虫之一,向下向左向右向前甚至向后,蜻蜓飞行与其他昆虫不同的另一个显著方式是它们能在不同阶段扇动前翅和后翅,我可以根据它们想做的机动动作来改变那个阶段,一种飞行技术被称为反抚摸,它们的前翅和后翅相差180度互相扇动,这使它们能够悬停或进行非常缓慢的向前飞行,并能产生大量的升力,用于快速向前飞行,它们能够切换到空间抚摸,后翼在前翼的相位上向前跳动九十度,这产生的升力要小得多,但产生的推力却大得多,有些物种能够达到每小时50公里以上,使它们成为迄今为止飞行速度最快的昆虫

蜻蜓还能进行同步抚摸,也就是前翅和后翅同时扇动,这对提高加速度和准备快速转弯或改变方向最有用,这使它们能够产生巨大的升力,它不能持续很长时间,所以它们一般只在追逐猎物时使用这种配置,此外蜻蜓还能向后飞行,这种飞行方式几乎是其他任何动物都不可能做到的,除了其他一些小类型的苍蝇和蜂鸟,它们通过将身体向上倾斜九十度来改变翅膀产生的力的方向来做到这一点,最后蜻蜓还可以选择完全不拍打翅膀,让它们利用上升气流自由滑行,一些雌蜻蜓的情况下乘坐雄性蜻蜓,雄性蜻蜓可以抓着她,让他拍打翅膀来推动他们两个人的发展,能够在如此广泛的飞行行为和空中杂技之间转换,这就是蜻蜓在猎杀飞行昆虫时如此高效的捕食者,以及在躲避自己的捕食者时,但蜻蜓的翅膀也有一个突出的芋头柱头,翅膀前缘有小的色素斑点,它比翅膀的其他部分更重,充当了一个配重,从生物力学的角度来看,恐怖分子柱头的重量使弦明智的质心移到扭转轴的前面,恐怖分子柱头的水平,如果不是这样蜻蜓翼的外前缘就会容易出现自激的托里拍打和羽化振动称为飘动,在高速滑翔时它的飞行会迅速失速,也会撞到到更大的结构,如飞机甚至是建筑物,在蜻蜓身体总重量不到0.1%的小斑点,使它们能够安全地达到比其他方式高10-25%的飞行速度,最后蜻蜓的翅膀不是完美的平板,它们的脉络形成三维聚集,从结构上看使翅膀的性能更有效,脉络所描画的图案可以防止机翼因居住而扭曲和变形,这使它们能够轻易地改变攻击角度,产生更多的升力

但是使蜻蜓成为空中最伟大的猎手的不仅仅是它们惊人的速度稳定性和可操作性,是它们如何看待这个世界,使所有这些灵活性成为可能,蜻蜓不只是主宰飞行,它们还有不可思议的视野,它们特有的复眼是昆虫王国中最大的,它们是由超过30000个独立的眼睛,这就像微型望远镜,可以探测到来自它们指向的方向的光线,由于它们的眼睛几乎完全包裹着头部,它们的视野几乎是360度,非常适合于观察它们周围的潜在目标,而不必在它们的栖息地重新确定方向,每个自己的母体也有四到五个选项,对光敏感的蛋白质,吸收光谱中不同颜色的光,并允许蜻蜓感知从橙色到紫外线的颜色,这对白天的狩猎和利用视觉信号探测和追求雌性很有用,横跨整个360度

蜻蜓的视觉敏锐度与人或鸟不一样,但对运动却比我们敏感得多,远处的一个普通猎物目标在它们决定追击之前,很少会在它们的视野中跨度超过1度,相当于最多在两到三度的范围内移动,意味着他们的大脑能够以难以置信的速度检测和处理运动,所以他们可以立即追赶猎物或避免威胁,它们的眼睛也是根据地区而专门设计的,眼睛的上部或背侧区域对较短波长的光最敏感,就是说紫外线和蓝光,许多蜻蜓在寻找猎物时,会在水面以上低空飞行,因为这样可以使潜在的目标尽可能地与蓝天形成对比,另一方面,它们的中间和下部或腹侧部分对更大范围的波长敏感,这可能是因为在识别和追捕同伴的蜻蜓时,颜色探测很重要,无论是作为潜在的伴侣还是竞争对手,它们更可能从正面或从上面接近,这也可以帮助识别那些不移动的猎物,比如被困在蜘蛛网里的昆虫,如果没有飞行目标,蜻蜓偶尔会从毫无戒心的蜘蛛身上抢夺这些东西,这些视觉能力与它们的飞行能力相结合,创造一个可怕的捕食者,然而正是这两样东西的结合,使龙蝇成为当今最有效的捕食者,让蜻蜓如此成功的不仅仅是翅膀或眼睛,还有它的大脑,蜻蜓的大脑使用了一种高度优化的狩猎策略

使它能够预测猎物的去向,并迅速机动地拦截它,研究猛禽和其他狩猎昆虫表明,,捕食者在追捕猎物时有两种主要策略,即追踪和拦截,而在这两种狩猎方式中,拦截是更难的一种,追踪涉及将目标保持在它们视野中的同一位置,并加速向它们靠近,追逐者向猎物靠近并螺旋式上升,直到猎物的自然速度优势使它们能够抓住另一种狩猎方式,这就是所谓的拦截,追猎者朝着他们预测的猎物所在的地方飞去拦截,这比较困难,因为猎物和捕食者的位置和速度必须一起处理才能做出这样的预测,然而如果预测准确就不太可能依赖于绝对的速度优势,这可以帮助捕食者节省能量,因为快速向前飞行和加速是耗费能量的,而且即使蜻蜓有速度和敏捷性,如果它们愿意的话能够参与追踪,但它们主要以拦截作为捕获的一种形式,在人类中拦截是一种学习行为,但在蜻蜓中人们推测这种行为必须是硬连接到它们的神经系统,直接连接它们的视觉系统和运动系统,然而,捕的拦截模式意味着被追捕的猎物不太可能停留在蜻蜓视野中的同一位置,这可能使猎物更难捕捉,研究表明蜻蜓似乎是在与它们的猎物几乎同步的情况下调整它们的头部,将它们的目标固定在视觉敏锐度较高的区域进行追踪,事实上这种同步性是如此的完美,但即使是头部运动似乎也不是反应性的,而是基于预测的,所有这些心灵和身体的整合使蜻蜓成为研究人员发现的最佳狩猎记录,在2012年哈佛大学的研究人员发现,蜻蜓捕获了大约95%的猎物,大部分都是飞行的动物,蜻蜓会吞噬任何飞行的猎物,大概是它们的头部大小或更小,像蜜蜂、飞蛾、蚊子,较大的种类甚至会捕捉和吃掉其他蜻蜓,但如果它们是周围最好的猎手,为什么进化论会推动它们去捕食小猎物,为什么它们不能保持七十厘米的巨人主宰天空,抢夺更大的猎物,对于蜻蜓的小型化,有两个主要的假说,它们并不相互排斥,第一个是3亿年前,大气中的氧气多得多,人们认为这种大量的氧气能够支持更大的昆虫身体,它们依靠被动和主动的扩散,通过它们角质层上的孔进行呼吸,随着这些氧气水平下降到现在的水平,昆虫能达到的最大尺寸也是如此,另一个假设是,小型飞行恐龙和鸟类在1亿5千万年前开始进化,可能在相同的生态位上竞争过较大的蜻蜓,由于竞争较少,如果鸟类捕食较大的生物,而蜻蜓捕食较小的生物,较小的蜻蜓更可能不会灭绝,很少有昆虫比蜻蜓更成功,他们在数亿年中保持相对不变,拥有一套杀手级的适应性,帮助维持顶级捕食者的地位,难怪工程师和科学家都热衷于研究和模仿它们,蜻蜓一直是许多生物模仿项目的灵感来源,指引它们如何追踪目标和执行空中杂技,那么今天市场上还没有尺寸与蜻蜓相当的自由飞行无人机,有几个微型无人驾驶飞行器的原型正在研制中,所以下一次你看到一只蜻蜓在你当地的池塘边飞来飞去,记得花点时间来欣赏一下这个天空中的杀手,并感谢它们的大小,或者庆幸你不是一只果蝇,就像蜻蜓的形态对其作为一个物种的持久成功一样重要,它的行为和生命周期同样重要,蜻蜓不仅主宰着天空,而且其幼虫在水中是致命的猎手,用它们疯狂的可伸缩的下颚,可以射出它们身体一半的长度,它们的世界比我们所熟悉的蜻蜓还要陌生,而它们的捕猎策略更令人恐惧