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远古翼龙PK现代飞机

原创
2019-12-06  大科技杂...

它的身影曾笼罩所有的陆地,它有众多的家族支系,它是两亿年前的空中霸主,它达到的飞行高度,在漫长的时间里让众生仰望⋯⋯它,就是翼龙。

翼龙,与它们的恐龙亲戚一样,是演化史上最为成功的物种之一。它从2.15亿年前的三叠纪出现,其后的1.5亿年间繁衍兴盛,直到白垩纪末与恐龙同归尘土。这期间,翼龙覆盖所有大陆,并演化出形态和大小不同的各种类型。自从1784年德国首次发现翼龙化石以来,全世界已经发现了130多种翼龙。

翼龙最令后人惊叹的,是它拥有庞大的身躯,却能翱翔九天。自发现翼龙化石之日起,古生物学家们就一直试图揭开翼龙的飞行之谜。由于翼龙骨骼纤细中空,很难保存为完整的化石,所以科学家们虽然揭开了部分谜底,却依然留下了许多谜团。

身躯:远古翼龙PK现代飞机

最小的翼龙仅仅和我们后院枝头的麻雀相当,但是最大的翼龙两翼张开,竟可达将近19米的宽度,同一架性能优良的现代战斗机相比,个头上毫不逊色。

翼龙能够成为2亿年前空中的“血肉战机”,自然有它的几种独门武器。

第一种武器是它的翼膜。翼龙最奇特之处,就是爪子上的第四指加长,和手臂一道,形成支撑翼膜的骨架,翼膜便附着在骨架和身躯之间,就像风筝的竹子骨撑起了筝面。从美国人莱特兄弟的飞行家一号到协和客机,所有的飞机都离不开那对机翼。而机翼也都是由蒙皮、内部肋梁构成,2亿年前的翼龙的翅膀和飞机的机翼相比,丝毫不逊色。

第二种武器,是它拥有独一无二的翅骨。翼龙有一块其他的爬行动物都没有的圆棒状骨头,人们称其为翅骨,翅骨从翼龙手腕部位伸出,向翼龙的肩胛骨的方向伸展。这个奇特的骨头使科学家争论了许多年,也搞不清楚是起什么作用的。

最近,剑桥大学的动物学家威尔金森等人用铝丝和尼龙做成翼龙模型,通过风洞试验惊讶地发现,原来翼龙的翅骨所支撑的前膜起着飞机襟翼的作用。

我们知道,在升力一定的情况下,翅膀面积越大,起飞速度越小;翅膀面积越小,起飞速度越大。

大面积的翅膀降低了起飞速度,有利于缩短起步距离,但当翼龙起飞后速度增加时,便成了累赘,不但重量大,而且会使阻力剧增,身体的消耗因此显著增加。小面积的翅膀重量小,消耗能量就少,但是需要的起飞速度大,这就要求有很长的平地,有时候不容易找到这样的场地;高速奔跑对自身安全也有威胁。

怎样解决这一难题呢?翅骨的出现恰好帮助翼龙协调这个矛盾。这个构造改变了翅膀的形状,而且增加了翅膀面积,使翼龙飞行时的空气动力大大改观,能在较低的起飞速度下产生足够的升力。飞机演化了很多年后,人们才发明了襟翼来改善飞机结构,而翼龙在2亿年前就应用类似的结构了。

第三种武器是简化的尾巴。早期的翼龙由于刚刚从其他爬行动物中演化出来,还保留了长长的尾巴。随着翼龙越来越适应飞行,翼龙的尾巴也越来越短,甚至有的翼龙的尾巴几乎消失了。有的物理学家对翼龙的复原模型作了研究,发现从空气动力学角度看,翼龙拥有“尾舵”对它的飞行并无大的好处,如果有一条不停摆动的尾部,反而会让它失去平衡。所以翼龙的尾部退化能使它更好地飞翔。

飞翔:翼龙PK鸟类

以前人们认为翼龙可能只有滑翔的功能,而飞翔能力相当弱,因为人们很难想象一只两翼张开10米左右、活像一架飞机的大型翼龙能够振翅高行,但是现在,人们正逐渐改变对翼龙飞行能力的偏见,人们发现,翼龙的飞行技巧甚至有可能胜于现代的鸟类,至少不比鸟类控制飞行的本领差。

翼龙有许多适应飞行的特点是和鸟类一样的,比如翼龙的前肢上附着了强有力的肌肉,利于扇动翅膀;翼龙的胸骨很宽,像鸟一样都呈心形。胸骨上有一个三角形的片状突起,因为很像船底的龙骨,所以叫龙骨突。龙骨突大大增加了肌肉在胸部附着的面积,十分利于振翅飞行。

我们知道,鸟的骨骼中空,非常轻巧,巨大的翼龙骨骼同样如此。翼龙的头骨上多孔,减轻了骨骼的重量。而且,翼龙所有的骨骼都非常薄,几乎与纸一样薄的管状骨既轻巧,又能承受住很大的压力,有些骨骼里充满了空气。

翼龙到底有多轻?看看妖精翼龙就知道了。这种翼龙翼展达6米,如同一间小房子的屋顶那么大,却比一个小孩子还要轻!

翼龙甚至有一些鸟类也自愧不如的飞行本领。比如,翼龙的翅膀相当于一个复杂的飞行传感器装置,当翼龙飞行被湍流所扰乱时,翅膀会把气流的信息反馈到内耳里,经过信息反馈后,翼龙能够迅速微调,对翅膀的运动进行控制与修正,恢复正常的飞行。

翼龙飞天靠的仅仅是巨大的翼膜吗?不,更重要的是它的头脑!翼手龙(翼龙中的一类)的头颅是紧贴着脑的。和鸟类比较,翼龙有很大的小脑绒球,有的翼龙的小脑绒球就占了脑质量的7.5%,而鸟的小脑绒球却仅占2%,哺乳动物的则更小。小脑绒球使翼龙能灵活控制头部、颈项和眼睛,在移动时还能保持固定的视线,以便紧盯着猎物。至少在控制运动的小脑上,翼龙比鸟类还要发达,作为哺乳动物的人类面对翼龙也甘拜下风。

翼膜破损与修复之谜

翼龙的翅膀其实是一层薄薄的皮膜,延长的第四指指骨、手臂和身体撑起了皮膜,中间没有骨骼支撑。这样的结构让人们很为翼龙的命运担心,一旦被树枝刮破皮膜,翼龙会顿时丧失自己的飞行能力,在地面上行走,翼龙很快会成为肉食性恐龙的美餐。

想想现代的蝙蝠,它的翼膜构造与翼龙类似,蝙蝠有时候也会遇到翼膜被强风或敌人撕裂,或被植物的刺穿孔等意外灾难。但是,由于蝙蝠的翼膜有五根指骨镶嵌其中,即使翼膜某处破损,充其量也仅限于两根手指间的翼膜,不会扩张到整个翼膜。动物学家曾经发现,有的蝙蝠在翼膜部分破损后,坚持飞回巢穴,静养之后翼膜破损还会慢慢愈合。

可是翼龙不一样,一旦翼膜破损,将是整体性的横向破裂,根本没有养伤的机会。不过,既然翼龙能盘踞蓝天达1.6亿年之久,显然不会那么容易就被“击落”。它是如何弥补了这个致命的缺陷呢?

近年来,在中国辽西发现的翼龙标本提供了一些线索。古生物学家发现翼龙的翼膜中充满了微小的肌肉纤维,纤维呈放射状,由皮肤连接在一起。这些纤维可能像雨伞的伞骨一样,具有补强翼膜的作用。即使不幸被树枝或敌人刮破翼膜,破损的也只是一小部分,不会蔓延到整个翼膜,这样翼龙就有能力继续飞行,破损部分也会慢慢地养好。

轻盈的翼龙扇动着翅膀,在亿万年前的天空中迎风起舞,身后留下了许多谜团,让人们困惑、让人们思索,让人们惊叹⋯⋯  

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