在我住的地方，傍晚蚊子特别多的时候，我有时会带着女儿们坐在院子里，抬头仰望渐暗的天空。没多久，通常会有一只蝙蝠从附近的树林里飞出来，开始绕着房子打转，一路捕捉昆虫。它打圈时，我们几乎看不清蝙蝠的翅膀，只是膜翼的一闪而过。因此，这周早些时候，我花了一些时间与布朗大学的两位生物学家 Dan Riskin 和 Sharon Swartz 一起观看蝙蝠飞行的慢动作电影，这对我来说真是大开眼界。那里有太多值得关注的东西了。蝙蝠大约在 5000 万年前从类似松鼠的祖先那里进化而来。它们最初可能以滑翔的方式开始尝试飞向空中。就像现存的滑翔动物一样，它们利用皮肤的褶皱来增加表面积，从而能够滑翔得更远。它们的双手进化出了细长而弯曲的手指，手指之间由薄膜连接。一些早期蝙蝠化石表明，它们可能已经从滑翔转向在滑翔和短暂的扑翼之间交替。最终，蝙蝠进化出了持续的动力飞行能力。蝙蝠进化出了一种利用鸟类飞行所用的相同物理定律的方法。许多过去研究蝙蝠飞行的科学家基本上将蝙蝠视为像鸟类一样有革质翅膀的动物。但没有理由认为它们应该如此。毕竟，发现鸟类翅膀上的羽毛对气流的反应方式与蝙蝠的弹性膜的反应方式不同，这并不令人意外。鸟类没有像蝙蝠那样连接前后腿的翅膀表面。而且，鸟类的翅膀骨骼只有几个关节，比如肘部和腕部，而蝙蝠有很多指关节，理论上可以有选择地弯曲以改变翅膀的表面。蝙蝠的翅膀上还有许多敏感的毛细胞，它们似乎能够追踪气流的速度和方向，而从毛细胞获得的信息可能有助于它们每秒多次对翅膀进行微调。当 Swartz 和 Riskin 等科学家研究蝙蝠时，他们发现，事实上，蝙蝠并非鸟类。蝙蝠的飞行速度比鸟类慢，但它们的机动性更强。与鸟类相比，蝙蝠的飞行成本更低。一只悬停的蝙蝠比一只悬停的蜂鸟消耗的能量少 60%。这些发现表明，如果你想制造一种敏捷、高效、微小的飞行机器人（谁不想呢？），或许可以从蝙蝠那里寻找灵感。从蝙蝠身上寻找灵感的问题在于，科学家们才刚刚开始弄清楚蝙蝠的空气动力学。然而，最具挑战性的是弄清楚鸟类和蝙蝠空气动力学之间的差异。Riskin 和 Swartz 使用了许多工具来找到答案。他们在蝙蝠身上涂上鲜艳的点，然后在风洞中拍摄蝙蝠飞行的动物。然后，生物学家可以使用计算机创建蝙蝠翅膀的模型，并计算每个点在飞行瞬间的速度和方向。他们可以在隧道里喷洒雾气，然后拍摄蝙蝠在身后留下的涡流。根据真实蝙蝠的数据，蝙蝠研究人员随后可以在计算机上测试模拟，看看它们产生的力是否与风洞中看到的空气涡流相同。仔细观察这些电影会发现，蝙蝠的飞行过于复杂，无法用简单的术语来描述，比如上冲和下冲。蝙蝠的肩膀在手腕之前开始向上旋转，手腕在手指之前向上移动。每只手的手指之间并不同步移动。左翼的一个关节经常与右翼的相应关节不同步。物理学家喜欢将翅膀视为刚性表面，因为涉及的数学计算可以减少头疼。但对于蝙蝠来说，这是一种粗略的简化。蝙蝠手部的骨骼非常灵活，在每次拍打过程中，蝙蝠翅膀的皮肤从未完全伸展。事实上，靠近身体的翅膀区域在每次飞行拍打过程中会膨胀一倍，表面积增加一倍。蝙蝠可能利用这种不断变化的翅膀表面来控制它们的升力和阻力，从而在不失速的情况下进行紧密机动。蝙蝠显然进化出了复杂的飞行系统，但在不飞行时，它们也面临着一些尴尬的挑战。鸟类只需要两条肢体飞行，留下的另外两条相对自由，可以着陆和在地面行走。而蝙蝠则将它们的后腿作为翅膀的一部分，因此自然选择必须在几种不同的功能之间达成妥协。而且，鸟类可以通过脚着陆来停止飞行，而大多数蝙蝠必须用脚倒挂。为了弄清楚蝙蝠如何完成这一壮举，Riskin 将典型的生物力学实验室颠倒了过来。科学家可以通过在地板上放置一个力敏板来测量奔跑动物的力；Riskin 则将其放在天花板上。在他记录的着陆蝙蝠中，他发现了两种策略。在一种生活在洞穴的蝙蝠物种中，蝙蝠会进行优雅的后空翻结合倒立的侧手翻，这样它们就可以只用两只脚着陆。在一种悬挂在树枝上的蝙蝠物种中，蝙蝠则使用一种截然不同的技术。它们没有侧手翻，而是向上举起双脚和双手抓住树枝。它们会用力撞击树枝。洞穴蝙蝠着陆时的力是其体重的两倍；树栖蝙蝠产生的力高达其体重的十一倍。这项本周发表在《实验生物学杂志》上的发现，说明了一个关于蝙蝠的重要事实——一只蝙蝠不是一只蝙蝠不是一只蝙蝠。蝙蝠生活在许多环境中，适应了吃各种各样的食物，从飞蛾到水果再到牛血。它们之所以能够适应这些不同的生活方式，部分原因在于它们进化出了不同的移动方式。如果你是一只蝙蝠，飞向一堵岩壁，你肯定不想撞得太厉害。但如果你能抓住一个能吸收冲击力的树枝，你就可以省略花哨的杂技。同样的道理也适用于蝙蝠在地面上的行为。它们的腿部很娇嫩，被翅膀束缚在一起，你可能会认为蝙蝠在地面上表现不佳。事实上，大多数物种都不会赢得任何田径比赛的奖牌。当 Riskin 将一只典型的蝙蝠放在跑步机上时，它们会跌跌撞撞地行走。如果跑步机速度太快，它们就会开始失去控制。因此，很可能在蝙蝠早期进化过程中，高效行走和奔跑的能力已经丧失。但数百万年后，至少有两个物种再次进化出了这种能力。蝙蝠再次回到地面的一个地方是新西兰。新西兰的独特地理环境使其没有大型捕食者，也没有老鼠或其他地面哺乳动物。一种名为新西兰短尾蝙蝠的物种已经适应了这种生态位。虽然它仍然会飞，但现在它在地面上舒适地移动，寻找昆虫、花蜜、水果和花粉。Riskin 发现，新西兰短尾蝙蝠可以在跑步机上舒适地行走，利用与其他行走的哺乳动物相似的钟摆式运动来节省能量。但是，当其他哺乳动物需要移动得更快时，它们会加快速度变成奔跑，以便在触地时将额外的能量储存在肌腱中。新西兰短尾蝙蝠无法从行走过渡到奔跑。但是另一种蝙蝠可以做到这一点。吸血蝙蝠会在地面上行走，以悄悄接近猎物。如果猎物试图逃跑，它就可以追赶。Riskin 发现，当他将吸血蝙蝠放在跑步机上时，它们可以像新西兰短尾蝙蝠一样行走。但是，当他加快跑步机的速度时，它们会突然切换到一种奇怪的奔跑方式。它们不像松鼠那样用后腿蹬地，而是使用它们长而肌肉发达的胳膊。这就像是哺乳动物的前轮驱动与后轮驱动的区别。这两种地面移动蝙蝠物种之间的差异，当你考虑到它们的栖息地时，就不足为奇了。新西兰的蝙蝠在进化成慢行者时没有付出任何代价，因为生活相当轻松（至少在人类带着老鼠和其他各种随行物品出现之前）。但吸血蝙蝠生活在一个更具竞争力的环境中，它们必须适应移动的猎物。换句话说，一旦蝙蝠进化出了飞行能力，它们就没有停止进化。它们的运动在数百万年来以惊人的方式变化，并且只要蝙蝠在地球上飞行、行走或奔跑，它们就会继续变化。
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