昆虫飞行有奇招

昆虫是世界上最早的“飞行员”，它们拥有一整套有助于在空中自由飞翔的技巧，以及强大的导航能力。

对大多数人来说，这些世界上伟大的“飞行先驱”，只是一些令人厌烦的小东西。每年从6月开始，驱之不走的各种小飞虫，不断地撞向灯影下的窗户。还有总在耳边嗡嗡作响的蚊子，它们吸食人血，让人感觉奇痒无比，甚至还会传播疟疾等疾病。这些让人生厌的小飞虫经常被人扑打，它们奇妙的飞行能力绝对得不到人们的赞赏。但是对想要知道昆虫是如何飞上天的科学家而言，这些有翼生物创造的飞天奇迹，令他们感到精妙无比，产生了想要揭晓谜底的强烈兴趣。

黑腹果蝇

探索昆虫飞天的奥秘

从约4亿年前首次尝试飞天以来，昆虫已经进化出了一系列令人叹为观止的适应性技巧，来帮助它们在天空中自由翱翔。这些“飞行先驱”进化出了一系列不同的身体构造来解决飞行和导航难题。例如，果蝇身上有一对类似陀螺仪且可感受旋转运动的重要的组织结构，使得它们能够像直升机一样随心所欲地飞来飞去。而对人类而言，飞行之难，是真的“难于上青天”，假如不是借助于外力，迄今人类仍被困于地面上。如今，一支跨学科的科学家队伍，正在宏观和微观层面上收集关于昆虫飞行的各种线索，来破解昆虫飞上天的奥秘。

研究黑腹果蝇的美国加州理工学院的生物学家兼神经学家迈克尔·迪金森认为：“这是一个可以从宏观整体尺度到微观分子尺度进行研究的问题。据我所知，一些科学家是从微观分子入手来探索肌肉神经元中的分子是如何产生飞行能力的，而我的一些同事则是利用雷达技术来追踪穿过英吉利海峡的昆虫的活动。此外，还有其他许多研究昆虫飞行奥秘的科学分支。”

最早研究昆虫飞行奥秘的研究人员是18世纪的博物学家。受限于当时的条件，他们只能依靠观察和一些简单的实验（比如通过移除昆虫的某个部位），来了解这些组织结构是如何对昆虫飞行控制产生影响的。

探索昆虫飞行奥秘的研究，涉及神经科学、空气动力学、昆虫学等跨学科的广泛领域。研究人员利用各种先进的科技来研究昆虫的飞行活动，诸如飞蛾在夜空中是如何飞行导航的，以及蜻蜓是如何在空中悬停的。他们通过数学方程式的计算，来阐明昆虫飞行的物理学原理。同时，借助先进的高速摄像头，仔细观察被拴住的昆虫飞行时的一些特技动作。利用先进的高倍显微镜，采用强大的基因编辑技术，可以清晰地观察并揭示肌肉系统活动背后的飞行动力学原理。虚拟飞行模拟器还可“欺骗”被拴住的果蝇，让它误以为自己在空中自由翱翔。

“昆虫飞天”是一个进化奇迹，然而，昆虫飞行之谜至今尚未完全揭开。例如，高速摄像头依然无法精确追踪昆虫翅膀的扇动方式。尽管如此，先进技术在揭晓昆虫飞行之谜上依然功不可没。比如，识别能使昆虫飞行的适应性因素方面的研究，已取得了许多可喜的进展。

科学家开发了复杂的设备来研究昆虫的飞行，如同置身于虚拟现实“竞技场”中，研究人员将果蝇拴在设备内，对它们的飞行模式进行观察和测量

帝王蝶每年长途跋涉数千千米去寻觅食物

在这幅4 秒曝光的照片中，果蝇的飞行轨迹呈“之”字形，它正循着草莓发酵的气味飞去。这些研究揭示了昆虫是如何通过整合感官信息来搜寻食物的

为寻觅食物而飞

谈到果蝇的气味检测能力，迪金森不由得大为赞叹。这是因为，他发现果蝇能够嗅闻到几千米外田野里发酵水果的气味，并循迹而去。这确实令人震惊！

类似的蚊子实验也出现了同样让人吃惊的结果。与果蝇不同，蚊子追踪的气味是它们的“猎物”——人类呼出的二氧化碳。这些吸血昆虫还会利用热量信号来寻找食物源头。

昆虫就是这样在飞行中寻找食物。但有些昆虫必须飞很远的距离才能找到需要的食物。例如，蜜蜂会飞到数千米外去寻找花蜜。一种名为“帝王蝶”的大型蝴蝶甚至会飞行几千千米，不远万里去往它们的越冬地寻找食物。

昆虫能长距离飞行，主要功绩并不在于翅膀，而在于它们擅长导航的大脑。所有飞行昆虫的大脑中都有一个核心导航系统，这可能是在进化初期就发展起来的。

从果蝇到蝴蝶，从蝗虫到蜣螂，许多昆虫都拥有导航能力卓越的大脑回路，这是隐藏在它们大脑里出色的指南针。果蝇会利用天体标记，以保持恒定的飞行路径。帝王蝶能察觉到白昼长度及温度的变化，它们的飞行导航能力可与每年迁徙的候鸟相媲美。

蓝晏蜓是欧洲的一种大型蜻蜓，前后翅翼独立且不对称的运动，使得它们拥有一种罕见的飞行能力——在半空中悬停

蜻蜓悬停在植物上

蜻蜓的飞行特技

迁徙昆虫中飞得最远的当数飞行轨迹遍布全球的蜻蜓。它们能成群结队地穿越整片海洋，足迹遍及除南极洲之外的每一块大陆。小小的蜻蜓跻身于四海为家的迁移动物（如座头鲸和棱皮海龟）之列。

蜻蜓的其他一些本领也令人惊叹。例如，它们能够预测猎物的移动轨迹，它们每天可以飞行11千米以上的距离，它们甚至能在空中完成交配。但最令人惊叹的能力是它们能像直升机一样在空中悬停。

悬停是一种高难度且罕见的飞行技能，可以不借助空气气流，而是依靠自身产生的足够升力将身体向上提升。在自然界中，只有少数飞行动物能够做到这一点。蜻蜓的飞行策略独树一帜，通过翅膀不对称的扇动，这一与众不同的方式，使得蜻蜓在动物界中脱颖而出。在每一个回合的振翅运动中，蜻蜓首先将翅膀向前推，随后向下压，其运动轨迹在一个倾斜的平面内，通过振翅运动产生向上的升力，用以支撑蜻蜓的体重。

果蝇半空旋转和空中急转之谜

果蝇的飞行技能同样令人惊叹。科学家认为，果蝇的半空旋转和空中急转能力在很大程度上都源于名为“平衡棒”的特殊的适应性结构。

果蝇的平衡棒可视为“内置陀螺仪”。经过几百万年的演化，果蝇原后翅部位进化出了一对棒状突起，它们在飞行中起到非常重要的作用。在实验中，研究人员可以检测果蝇在半空中旋转时的位置变化，平衡棒可为果蝇及时纠正体位，并为在空中旋转和改变方向等动作提供关键信息。这是一种适应性变化，果蝇找到了一条不同寻常的进化路线，仅凭一对平衡棒，它也可跻身“优秀飞行员”之列。

1714年，博物学家、自然学家威廉·德勒姆发现，被切除了平衡棒的果蝇很难在空中保持平衡。于是，科学家开始猜测，正是这一对棒状突起，让果蝇拥有了平衡能力。20世纪的英国动物学家、昆虫飞行研究专家约翰威廉·萨顿·普林格尔对果蝇平衡棒的作用进行了更为翔实的研究。通过对被切除了平衡棒的果蝇的飞行行为的观察，普林格尔提出了果蝇平衡棒拥有陀螺仪功能的理论。

迪金森指出：“平衡棒还是非常精确的计时器，就像一台精密的时钟。”就像我们跑步时会选择先迈哪条腿一样，嵌入在平衡棒底部的专职细胞会告知果蝇飞行肌何时收缩、何时舒张。迪金森认为，果蝇的平衡棒是一个复杂的器官，拥有成百上千的感觉细胞，这些感觉细胞会精准地告知果蝇与飞行相关的所有关键信息，这使得果蝇能从最初晃晃悠悠的飞行状态渐趋平稳飞行。

时至今日，研究人员还是很难确定哪些细胞负责哪些任务，以及何时执行这些任务。但最新的成像技术使得迪金森的研究团队能够证实70多年前普林格尔提出的假设：即使果蝇没有做旋转动作，平衡棒的大部分细胞仍然都是活跃的。这意味着平衡棒并不仅仅起到平衡的作用。也就是说，平衡棒的作用，不只是陀螺仪。迪金森说：“平衡棒让果蝇拥有一整套适应特殊生存模式的能力，如飞行中的快速反应、沿笔直路线飞行及快速急转的能力。”

黑腹果蝇等蝇类有一对翅膀和一对由后翅进化而来的棒状突起，被称为“平衡棒”，通常被形容为蝇类的“陀螺仪”。这对棒状结构可为果蝇提供关键的飞行信息

作为飞行昆虫之一的家蝇，正在倨傲地“俯视众生”

彩色扫描电子显微照片的特写镜头展示雄性果蝇身体结构纤毫毕现的细节

肌肉系统为飞行提供动力

除了特殊的组织结构以外，另一个让昆虫成功飞上天的奥秘，是控制振翅动作的飞行肌。我们蹲下并拾起掉在地上的铅笔的简单动作，是一部分肌肉运动的结果。同样，昆虫也要利用肌肉系统来为它们的飞天“壮举”提供动力。

控制果蝇的复杂的飞行动作大约需要用到集中于翅膀底部的十几块较小的肌肉群。这些肌肉群对负责振翅运动的几块较大的肌肉起到辅助作用，就像牵住风筝的绳子一样，这些较小的肌肉群拉扯翅膀，控制和改变果蝇的飞行航线。

迪金森的研究团队观察果蝇在虚拟飞行模拟器中的飞行模式，结果发现果蝇的肌肉系统在飞行中所起的作用存在普遍性，这证实了果蝇成功的进化策略。尽管数百万年前它们分化成了不同的进化群体，但所有种类的果蝇都拥有这套肌肉系统。

在研究果蝇飞行行为的实验装置中，摄像机记录下了果蝇的飞行模式。果蝇那经转基因改造的肌肉，在运动时会发出荧光，科学家因此可以清晰地看到哪些肌肉负责哪些飞行动作

昆虫飞行之谜尚待继续探索

围绕昆虫飞行，还有许多难题尚待探索，昆虫飞行的奥秘，是物理学、生理学、神经科学等多学科领域的有趣结合。昆虫整个有机体的行为，是这些科学原理共同作用的结果。跨领域的合作研究将有助于解决这些问题。

现代科技不断进步，然而，昆虫的体形实在太小，很难对它们进行大量的追踪观察。但随着像CRISPR/Cas9这样全新的基因编辑技术的进展，为研究人员提供了更多的研究途径，这些难题终将攻克。