鳥類遷徙為何呈V字隊形？
鳥類的飛行能力卻讓人著迷而又感到困惑。
「鳥類能擺脫飛行路線的束縛嗎？」 Bob Dylan問道。當然，這只是一個比喻（在Dylan的歌詞中，指的是失去的愛情），但這句話對鳥類來說確實沒錯，這是由於鳥類遷徙的複雜性——從遷徙的航向到群體的動力學——長久以來一直是一個謎。猜測眾多，卻沒有一個明確的答案。當然，作為大量趨同進化例子中的一個，昆蟲和哺乳動物也進化出了飛行能力。但鳥類的飛行能力卻讓人尤為著迷而又感到困惑。
荷馬和亞里士多德都對鳥類的遷徙做了詳細的記錄，但人類對於鳥類飛行能力的興趣甚至可以追溯到很久以前。如果你仔細研究過史前人類的神話傳說，你就會發現，只要人類能看見鳥兒的地方，就會有關於鳥類如何飛行以及飛行原因的解釋。在當今時代，關於解釋鳥類結群飛行及呈V字形飛行、遷徙的理論比比皆是，但最終答案卻幾乎沒有。隨著創新技術的使用，對八哥和禿?遷徙飛行的新研究顯示，複雜的飛行動力學以及原先被認為是不可能存在於鳥類身上的基於感測反饋的快速調整能力，是確實存在的。
內置全球定位系統系統？沒這麼快吧
當研究解釋了最大的問題之一——鳥類為什麼及如何呈V字隊形遷徙之後，禿?登上了2014年1月16日《自然》雜誌的封面。
「近50-60年，關於鳥類如何形成V字隊形的純理論文章大量湧現。」在倫敦皇家獸醫學院（London』s Royal Veterinary College，簡稱RVC）研究鳥類飛行的Steven Portugal博士說道。但是最基本的細節卻很難獲得，而且數據也不完整。「從前，人們利用照片和視頻獲得數據，但那些並不能提供足夠的精確度，如果他們（人和鳥）飛行在同一平面，拍出的照片和視頻會使高度失真，還會丟失信息。這種方式僅能提供飛行的截圖，而不是動態影像。
Portugal的團隊和RVC的結構與運動實驗室一起製作出了一套全新的飛行記錄儀。這種儀器將頻率為300赫茲的加速器與頻率為5赫茲的全球定位系統整合在一起，與此同時，它的重量很輕，足以安裝在禿?身上（它的重量至少要低於禿?體重的百分之五，以保證不會過度影響禿?的飛行。）這兩種儀器的組合使得研究者能夠準確地知道禿?飛行的地點，以及在高頻振動下測量禿?翅膀的運動情況。
該團隊將記錄儀放置在14隻成年禿?身上，這些禿?被一個叫Waldrappteam的動物保護組織帶回它們以前的居處——德國和奧地利。這些鳥兒將被訓練如何跟在一架小型飛機後面呈一定間距按照它們的遷徙路線飛行。大多數鳴禽都會本能的按照遷徙路線飛行，較大一些的禽類，比如鵜鶘，仙鶴，鵝以及禿?，則需要跟著它們的父母——在這種情況下即指保護組織——學習飛行路線。這是一次獨一無二的追蹤這些鳥兒如何飛行的機會（從邏輯上說，這遠比捕獲野生禿?容易。）
記錄儀記錄的長達45分鐘的飛行數據，顯示了一些此前人們確信，但沒有得到最終證明的東西：鳥兒通過調整翅膀扇動的速度以及保持與其他鳥兒的相對位置來最大程度的提高飛行效率。「最重要的是我們發現它們不僅將它們自己置於可能是最好的位置以獲取上升氣流，而且這還是一個主動的動態過程。每一隻鳥兒的飛行軌跡都採取與前一隻鳥兒相同的路徑，這樣他們就能知道何時及如何調整飛行姿態以獲得最大的上升氣流。」Portugal說道。
針對鳥類的工程學
George Young博士是一個機械工程師，他仔細考察了八哥（那段廣為流傳的視頻中結群飛行的鳥兒）以研究它們最理想的群體行為。不僅是為了解釋這些鳥兒為何及如何結群飛行的問題，也是因為這些研究成果有助於他對於人工智慧的設計工作。「我們正在研究如何設計集成感測器和機器人，使他們不話費多少代價就能從事複雜和智能的任務。」Young說道。
八哥可以提供Young所需的答案，因為它們已經解決了如何在嘈雜環境下進行群體交流的問題。楊稱這種工作為「仿生工程」——用自然界的方法解決眼前的問題。
「現在我們已經知道，八哥結群飛行，每隻鳥兒會注意離它最近的七隻八哥的情況，但還不知道它們為什麼這麼做」，在《PLOS計算生物學》2013年1月的研究報告中，Young和他在普林斯頓（他在那裡獲得了博士學位）的博士生導師——Naomi Leonard，以及來自羅馬薩皮恩澤爾大學（Sapienza University）的同事達成共識：七就是「群落中在凝聚力和個體行為之間取得優化平衡（按報告所說）」的數字。
「基本上，如果鳥僅僅將注意力集中在臨近幾隻鳥兒身上，那它就不能在整個群體中傳遞信息。如果它關注太多，它只是多花了更多精力而沒有獲得更多的信息。六到七隻是鳥在群體中保持交流所需的最少鄰居數目。」Young說道。
為了知道這個最佳數字的大小，楊一幀一幀地分析了視頻數據。群體中每一隻鳥的位置和速度都被跟蹤和測算。「我們採用了位置數據並用它構建了假想的交互網路，」Young說道。然後他們很有創意地使用了一些技術。
Matlab是一個在應力分析和流體力學工程中廣泛使用的軟體。作為一個工程師，Young對此很熟悉，但在他對八哥的研究中他用它來模擬生物系統。「我們構建了一個巨大的矩陣結構，每一個行和列代表一隻鳥兒，但Matlab自帶的程序語言能讓我們快速編寫大型計算程序，就如同那些種群中成百上千的鳥兒一樣。」Young說道。
通過使用工程軟體進行生物分析，奇妙的數字（最佳鄰居數——7）被發現了。楊希望將這個發現用在處理信號和噪音的系統中，正如真正的鳥兒一樣。「當種群大小和密度在一定範圍內——同時，種群密度的為一般大小時，鳥群中的最佳鄰居數是一樣的，這一事實顯示該數目可能是逐漸演化來的。」Young說道。
一個工程師可以使用軟體來研究大自然解決問題的方法，最終將研製出更聰明的機器人，還有比這個更完美的例子可以表現人類在進化中的位置嗎？
（作者：StarreVartan；；翻譯：張棟 審校：斑馬線）
TAG:知識百科 |