人類可能從他們有思想開(kāi)始就一直在關(guān)注鳥(niǎo)類和其他飛行生物。鳥(niǎo)類的羽毛顏色令人著迷，體現(xiàn)了很重要生物學(xué)意義，比如保護(hù)色、求偶炫耀等，這些都是大家可以想出來(lái)的。但是一些研究仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的專家利用實(shí)驗(yàn)證明了鳥(niǎo)類翅膀顏色的其他功能。

不同海鳥(niǎo)類群，翅膀上黑色的比例差別不小，圖片來(lái)源：Rogalla et al. 2021

我們都見(jiàn)過(guò)許多不同類群的海鳥(niǎo)，如（信天翁、鹱、賊鷗等），它們都獨(dú)立演化出深色的翅膀（圖）。最近，一項(xiàng)新的研究表明，這些顏色較深的翅膀幫助鳥(niǎo)類在強(qiáng)光下迅速升高翅膀溫度，加熱的翅膀可以提升鳥(niǎo)類的飛行效率。換句話說(shuō)，翅膀顏色越深的海鳥(niǎo)，它們的飛行效率越高。

信天翁的黑翅膀在陽(yáng)光下可以吸收熱量而產(chǎn)生升力，供圖：Depositphotos

這項(xiàng)研究發(fā)表在 2021 年 7 月份的《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-界面（Interface）》期刊上。來(lái)自比利時(shí)根特大學(xué)、馮卡門(mén)流體動(dòng)力學(xué)研究所 (VKI)、魯汶大學(xué)、比利時(shí)皇家自然科學(xué)研究所和美國(guó)西北大學(xué)的研究人員首次表明羽毛的顏色可以對(duì)飛行性能的演變產(chǎn)生影響。使用在馮卡門(mén)流體動(dòng)力學(xué)研究所的風(fēng)洞，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)深色鳥(niǎo)類翅膀進(jìn)行更強(qiáng)的加熱可以提高飛行效率，有時(shí)高達(dá) 20%。

在馮卡門(mén)流體動(dòng)力學(xué)研究所的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，Svana Vonkarman 供圖

此外，他們使用進(jìn)化分析表明，黑色素的數(shù)量遵循與其他有助于飛行效率的變量相似的進(jìn)化軌跡。因此，信天翁等飛行效率高的鳥(niǎo)類往往有黑色的翅膀，而深色的翅膀似乎體現(xiàn)了一種將飛行成本降至最低的適應(yīng)性特征。

無(wú)獨(dú)有偶，這個(gè)團(tuán)隊(duì)在 2019 年的研究發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。在這項(xiàng)早期研究中，研究人員們發(fā)現(xiàn)，白色翅膀羽毛靠近身體和黑色翼尖的鳥(niǎo)類從它們的翅膀顏色中獲得了更大的升力。在他們發(fā)表在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-界面（Interface）》上的論文中，該研究小組描述了他們對(duì)幾種鳥(niǎo)類翅膀顏色研究后的發(fā)現(xiàn)。

研究人員想知道鳥(niǎo)類的顏色是否對(duì)飛行效率有任何影響。為了找到答案，他們收集了幾個(gè)鳥(niǎo)類假剝制樣本，并將它們帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)包括把翅膀標(biāo)本放入風(fēng)洞中，用紅外線加熱它們，然后測(cè)試它們的特性。他們最感興趣的鳥(niǎo)類是翱翔能力強(qiáng)的鳥(niǎo)類，如小黑背鷗（Larus fuscus）、北鰹鳥(niǎo)（Morus bassanus）和鶚（Pandion haliaetus）。他們?cè)诟鞣N風(fēng)力條件下測(cè)試了每種樣品，以查看翼色是否對(duì)飛行效率有影響。值得注意的是，擅于翱翔的鳥(niǎo)類有時(shí)甚至可以在不用扇動(dòng)翅膀的情況下獲得它們的翱翔高度。

研究團(tuán)隊(duì)利用風(fēng)洞和紅外線加熱裝置，對(duì)于鳥(niǎo)類標(biāo)本的翅膀受熱和飛行效率進(jìn)行測(cè)定和模擬，圖片來(lái)源：Rogalla et al. 2019

這篇論文顯示，在加熱的情況下，深色羽毛比淺色羽毛區(qū)域的溫度更高，而且它們也比淺色羽毛更快地獲得熱量。但是，只有身體附近有白色或淺色翅膀羽毛，翅膀其余部分為黑色或深色羽毛的鳥(niǎo)類才具有這種特性。研究人員發(fā)現(xiàn)：同一個(gè)翅膀上的黑色和白色羽毛之間的溫差差距可以高達(dá) 9 攝氏度，這足以在翅膀上方的空氣中產(chǎn)生對(duì)流，從鳥(niǎo)的身體沿著翅膀向外移動(dòng)。他們指出，這種增強(qiáng)氣流的方式可以提高飛行效率。研究人員正計(jì)劃繼續(xù)研究這種對(duì)比色羽毛對(duì)鳥(niǎo)類的影響，希望能確定鳥(niǎo)類可以從它們羽毛顏色的差異中獲取了多少升力，以及在阻力上否存在差異。

(a) 在 10 分鐘無(wú)風(fēng)加熱過(guò)程中飛行羽毛的翼面溫度。顯示了暴露于 1000 W m-2輻照度下的不同顏色翅膀的加熱曲線（僅左翅膀圖形）。我們顯示了每個(gè)翅膀3 次試驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為陰影區(qū)域。

(b) 成年北鰹鳥(niǎo)翅膀的熱圖像，較亮（黃色）的顏色代表較熱的區(qū)域，較暗（紫色）的顏色表示較冷的區(qū)域，可以看出幾個(gè)不同物種翅表面的溫度 （Rogalla et al. 2019）。

在小編看來(lái)這兩個(gè)研究是使用現(xiàn)代化的技術(shù)來(lái)研究鳥(niǎo)類仿生學(xué)的優(yōu)秀案例。推鳥(niǎo)之前我們介紹了不少鳥(niǎo)類的羽毛顏色、形狀和功能的文章，但是把羽毛的顏色和它們飛翔能力聯(lián)系起來(lái)的研究倒是第一次見(jiàn)。也許這樣研究可以給一些航空器（如飛機(jī)、無(wú)人機(jī)）的設(shè)計(jì)提供啟示。

參考文獻(xiàn)

1．Rogalla, S., Nicolaï, M. P., Porchetta, S., Glabeke, G., Battistella, C., D'Alba, L., ... & Shawkey, M. D. (2021). The evolution of darker wings in seabirds in relation to temperature dependent flight efficiency. Journal of the Royal Society Interface, 18(180), 20210236.

2. https://phys.org/news/2021-07-darker-winged-birds-flight.html

3. Rogalla, S., D'Alba, L., Verdoodt, A., & Shawkey, M. D. (2019). Hot wings: thermal impacts of wing coloration on surface temperature during bird flight. Journal of the Royal Society Interface, 16(156), 20190032.

4. https://phys.org/news/2019-07-dark-colored-wing-feathers-birds-efficiently.html