人類可能從他們有思想開始就一直在關(guān)注鳥類和其他飛行生物。鳥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)證明了鳥類翅膀顏色的其他功能。

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

我們都見過(guò)許多不同類群的海鳥，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類在強(qiáng)光下迅速升高翅膀溫度，加熱的翅膀可以提升鳥類的飛行效率。換句話說(shuō)，翅膀顏色越深的海鳥，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)幾種鳥類翅膀顏色研究后的發(fā)現(xiàn)。

研究人員想知道鳥類的顏色是否對(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。他們最感興趣的鳥類是翱翔能力強(qiáng)的鳥類，如小黑背鷗（Larus fuscus）、北鰹鳥（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)鳥類的影響，希望能確定鳥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)研究鳥類仿生學(xué)的優(yōu)秀案例。推鳥之前我們介紹了不少鳥類的羽毛顏色、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。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