翼想天開：抵抗重力的飛行設計與大自然演化

第二章 飛行的好處？
能夠回答這個問題的方式實在太多了，說不定你還會納悶有什麼好問的。我們先別幻想自己無憂無慮地飄浮在神話般的雲朵之間，而是要──恕我直言──「腳踏實地」。我們必須給出明確的答案。從生命有機體的角度來看，這是指達爾文式的答案。所有生物都是經由演化改變而來。對於生物來說，「有什麼好處」這個問題的解答永遠都一樣：達爾文式的物競天擇，或稱為「適者生存」。
那麼，就達爾文的觀點而言，翅膀有什麼「好處」？對動物的生存有好處嗎？當然有，我們很快就會提到許多實際應用的獨特方式。例如從天空尋找食物。然而生存只是故事的一部分。在達爾文式的世界中，生存只是為了繁殖的一種手段。雄蛾通常會拍動翅膀在微風中飛向雌蛾，讓對方的氣味引導自己──就算稀釋至千萬億分之一，有些雄蛾還是能夠察覺到。牠們會運用又大又敏感的觸角。雖然這對雄蛾的生存沒幫助，不過正如我所說的，生存只是為了繁殖的一種手段。

「我聞到三英里外有一隻雌蛾。」
這隻蛾身上如同美麗羽毛的觸角能夠在微風中感覺到遠距離外的雌性。雄蛾會一邊轉向一邊將空氣搧向觸角：全方位掃描。

我們可以把這句陳述說得更精確一點，此時就要再次回到生存的概念。不是個體而是基因的生存。個體會死去，但基因能夠透過複製存活。藉由繁殖實現的生存就是基因的生存。在忠實複製的情況下，「好」的基因就能延續許多世代，甚至數百萬年。不好的基因則無法生存──這對基因來說就是件「不好」的事。至於怎麼樣的基因才算是「好」？擅長打造適於生存的身體來繁殖與傳遞相同基因。讓蛾擁有大型觸角的基因能夠存活，是因為它們傳進了由那些觸角偵測到的雌性所產下的卵。
同理，翅膀對於專門形成翅膀之基因的長期生存也有好處。能夠製造出好翅膀的基因會幫助持有者將相同基因傳遞給下一代。接著再傳給下一代。如此持續無數個世代後，我們所看到的就是非常善於飛行的動物了。最近（以演化的標準來看算是最近）人類工程師才發現該如何飛行──用類似動物的方式；這並不令人意外，畢竟物理就是物理，所以不斷演化的鳥類和蝙蝠跟現今的航空器設計師都得克服同樣的物理法則。當中的差異在於飛機是人為設計，鳥類、蝙蝠、蛾、翼龍則完全未經設計，是其祖先在天擇之下形塑而成的。牠們擅長飛行，是因為在過去的世代中，其他競爭者飛得沒那麼好而無法成為祖先──這樣就不能傳遞飛得較差的基因了。雖然我在其他書中解釋得更詳細，不過這兩段說明在此已經足夠，接下來我們就要進一步探討飛行的好處。這一點因物種而異。現在就開始吧。
某些需要費力飛行的鳥類（例如孔雀）為了逃離掠食者，會讓自己笨重的身軀在半空中移動一小段距離，然後在安全的距離外落地。海中的飛魚也會這麼做。這類飛行可以視為一種輔助跳。許多飛得不像孔雀那麼差的鳥類，則會利用飛行躲避只能留在地面上的掠食者。當然，有些掠食者可不會被困於地面：牠們也能飛。一場空中競賽便隨著演化時間發展開來。獵物為了避免被捕食而變得更快，掠食者也會因此變得再快一些。獵物演化出扭轉身體的迴避方式，於是掠食者也跟著演化出對應的動作。夜蛾及蝙蝠之間的軍備競賽就是個絕佳範例。
蝙蝠會運用一種我們難以想像的感官在黑暗之中尋找方向並鎖定獵物。牠們的腦部能夠分析自己所發出的超音波脈衝（頻率高到我們聽不見）。蝙蝠來到蛾的附近時，會把原本緩慢的脈衝音波加快，直到最後進入攻擊階段就會變成一陣高速連續的顫音。如果把每一道脈衝音波想成是在對周圍的世界取樣，你就能輕易看出為何提高取樣頻率會改善定位目標的準確性。數百萬年的演化讓蝙蝠的回聲技術臻於完美，其中也包括了負責處理訊息的複雜腦部軟體。同時，處於軍備競賽另一方的蛾也演化出一些聰明的應對方式。牠們發展出耳朵，而且正好能聽見蝙蝠超高音的尖叫聲。牠們也演化出無意識的自動躲避策略，只要聽到蝙蝠就會開始發揮作用：猛撲、俯衝、迴避。而蝙蝠也因此演化出更快的反應能力以及更敏捷的飛行技巧。這場軍備競賽的高潮，就像是第二次世界大戰期間英軍噴火戰鬥機（Spitfire）跟德軍梅塞施密特戰鬥機（Messerschmitt）之間的傳奇空戰。由於我們的耳朵不像蛾一樣可以聽見蝙蝠如機關槍般的脈衝聲波，所以在夜晚上演的這種場面對我們而言就彷彿一片靜默。蛾的耳朵幾乎不會聽見其他聲音。蝙蝠大概就是牠們擁有耳朵的主因。

→順帶一提，蛾會擁有毛茸茸的外觀可能也是為了防止蝙蝠攻擊。聲學工程師想要減少房間裡的回聲時，會在牆面鋪上具有吸音特性的材料，這就很類似蛾身上的絨毛。不過某些蛾甚至還有其他更巧妙的招式。牠們的翅膀上覆滿了微小的叉狀鱗片，能夠跟蝙蝠的超音波產生共振，就像隱形轟炸機那樣「從雷達上消失」。有些蛾自己也會發出超音波，藉此「干擾」蝙蝠的雷達（嚴格來說是聲納）。而且還有少數種類的蛾會利用超音波求偶。

在地面覓食的鳥類，會於食物耗盡時藉由飛行迅速移動到另一個覓食區。禿鷹與猛禽會利用翅膀取得制高點，在大片區域上空搜尋食物。禿鷹會飛得非常高。牠們的獵物已經死亡，不必趕著去捕捉，所以才能飛得很高，在廣大的區域裡掃視各種跡象，例如獅子殺死的獵物。其中一種經常出現的跡象是其他禿鷹也在場。牠們發現屍體後，就會滑翔下降。鷲和鷹之類的猛禽則是捕食活獵物，所以會在較低的高度尋找並俯衝，速度往往也很快。許多捕魚的鳥──例如燕鷗（tern）與塘鵝（gannet）──也會做類似的事，運用一種稱為俯衝入水的技巧。
塘鵝會在開闊海洋的廣大水域上尋找魚群蹤跡──可能是海面變黑了，或者已經有其他鳥類。一大群塘鵝（或是種類相近的鰹鳥）從高處俯衝突襲，以每小時六十英里的速度轟炸魚群，這可是生命中最難得一見的場景。牠們無情的閃電戰攻擊使人想起了第二次世界大戰的場景，像是會發出如「耶利哥號角」（Jericho Trumpets）般尖嘯聲的斯圖卡（Stuka）俯衝轟炸機，或是日本人的神風特攻隊。只不過塘鵝和鰹鳥並非衝向死亡。雖然這種情況不常見，但判斷錯誤的俯衝可能會害牠們折斷脖子。牠們一輩子都過著俯衝入水的生活，長期下來眼睛就會累積傷害：視力欠佳到最後可能會導致鰹鳥的壽命終結。你可以說俯衝縮短了牠們的生命。然而不俯衝的話牠們就會活得更短，因為這樣可能會餓死。塘鵝是極為專業的跳水高手，如果失去這項技能，牠們就無法跟海鷗這類於海面覓食的鳥類競爭了。

→順帶一提，此處要提出演化論裡很有趣的一點，這在本書中也會經常出現：妥協。根據達爾文的天擇說，如果某種動物能在年輕時成功繁殖，那麼牠在年老時的壽命就會縮短。正如我們先前討論過，就達爾文的觀點而言，「成功」的確切定義就是在死前留下許多自身基因的複製品。讓一隻塘鵝在年輕時捕魚更有效率的基因，可以成功傳遞給下一代，卻也會導致牠在年老時加速死亡。雖然我們並不會俯衝入水捕魚，但這種推論可以幫助我們了解自己變老的原因。我們繼承的基因來自久遠以前的祖先，他們能在年輕時適應生存。他們不必在年老時適應生存：那時他們幾乎都已經完成繁殖的任務了。

雖然塘鵝的速度很快，但俯衝轟炸的冠軍是隼（falcon），牠們會於飛翔時獵捕其他鳥類。遊隼在捕捉獵物時的猛撲或俯衝期間，速度可以達到驚人的每小時兩百英里。以時速兩百英里在空中俯衝所需的體型，跟平飛尋找獵物時的體型一定完全不同。果然，俯衝的遊隼會將翅膀收折起來，就像具有可變後掠翼的噴射戰鬥機。這麼快的速度會帶來問題與危險。要在這種時候呼吸，牠們就得具備特別構造的鼻孔（高速飛機的噴射引擎有一部分也是據此設計）。在如此危險的速度下受到衝擊，可能會真的危及生命。牠們就跟塘鵝一樣，儘管得到了繁殖成功的短期好處，另一方面卻也縮短了壽命。

飛行還有什麼其他的好處？峭壁是築巢與棲息的完美地點，不會受到狐狸等地面掠食者的侵害。三趾鷗（kittiwake）擅長將巢築在危險的峭壁上，讓掠食者或甚至是別的飛鳥都難以突襲。許多鳥類會在樹上築巢以策安全。翅膀能讓他們迅速飛上樹，並且帶回草葉跟其他築巢材料，以及後來要給幼鳥吃的食物。很多樹上都有果實：巨嘴鳥（toucan）、鸚鵡等眾多鳥類跟體型較大如蝙蝠等物種都以此為食。當然，猴子和猿也可以爬上樹摘取果實，但就算是最敏捷的猴子或猿也比不上鳥類在枝葉間穿行的速度。長臂猿（gibbon）是最靈活的攀樹動物，而且精通一種稱為擺盪（brachiation）的技巧，非常類似飛行。擺盪（源自brachium一詞，為拉丁文中「手臂」之意）是以極長的手臂在樹木之間搖擺移動，看起來就像用雙腳顛倒著在半空中奔跑。當長臂猿全速飛奔──我是指幾乎就像在飛行──牠們會以驚人的速度在樹冠衝刺，把自己從一根樹枝甩向好幾公尺外的另一根樹枝。嚴格來說這並不算飛行，但效果幾乎相同。我們的祖先在歷史上或許曾經有過這種擺盪移動的時期，不過我敢說我們絕對贏不了長臂猿。
花會製造花蜜，這是蜂鳥（hummingbird）、太陽鳥（sunbird）、蝴蝶和蜜蜂主要的航空燃料。蜜蜂會餵食幼蟲花粉，這也是從花朵收集而來。昆蟲綱中的整個蜜蜂科都仰賴開花植物為生，所以大約從一億三千萬年前的白堊紀就開始一起演化（「共同演化」）。要在花朵之間迅速移動，還有什麼方式會比用翅膀飛行更快呢？
大部分的昆蟲都會飛，而燕子（swallow）、雨燕（swift）、鶲（flycatcher）和體型較小的蝙蝠等物種在這方面都很純熟。蜻蜓也會利用大大的眼睛發現昆蟲，靈活地捕捉到獵物。
雨燕是吃蟲高手，而且完全在飛行中捕食。牠們在空中生活的時間極久，幾乎從不落地。牠們甚至能做到在空中交配這種困難的事。正如海龜離開陸地到水中生活，雨燕的祖先也離開了陸地到空中生活。這兩種生物只會返回陸地產卵。除此之外，雨燕還會孵蛋及餵養幼鳥。這不禁讓人覺得，要是可以在翅膀上產卵，雨燕一定會這麼做，就像鯨魚比海龜做得更徹底，無論如何再也不回到陸地上了。

雨燕飛得極快，而這也提醒了我們移動速度就是飛行的重要優勢。一個世紀前，巨大的遠洋班輪要花好幾天才能橫跨大西洋。現在我們只要幾個鐘頭就能飛越了。主要差異是水的摩擦力比空氣大很多。就連空氣的摩擦力也會因高度而變化。飛機飛得越高，稀薄空氣的阻力就越小，因此現代客機才會盡量飛高。為什麼不飛得更高呢？首先，引擎燃燒油料所需的氧氣會不足。經過設計要在地球大氣層外運作的火箭發動機會自行攜帶氧氣。有些因素則會影響在高高度飛行的飛機之設計。我們在第八章會討論到，飛機需要空氣以獲得升力，而空氣在非常高的高度會很稀薄，所以飛機必須飛得更快才有升力。設計於低高度飛行的飛機在高高度的表現就不太好，反之亦然。火箭不需要空氣來取得升力，而且也不需要機翼。引擎會將它們直接推離地心引力。此外，達到軌道速度後，它們就可以關閉動力，在無重力的狀態下飄浮，並保持極快的速度。
我小時候經常擔心，火箭發動機在外太空會因為後方沒有可以「推動」的空氣而無法運作。我錯了，這跟「推動」完全沒關係。原因如下──首先來舉幾個實際的相似例子；大炮發射時，會產生強烈的後座力。炮彈飛離炮筒時，輪子上的大炮就會晃動後退。沒人會覺得後座力是因為炮彈「推」了大炮前方的空氣所造成。以下才是真正的情況──炮彈的彈藥筒內部爆炸，氣體猛烈地推向四面八方，側向力互相抵銷，前向力將炮彈推出炮筒，所遇到的阻力很小，後向力則推向大炮，使它晃動後退。這種後座力能讓乘坐平底雪橇的你在冰上推動自己，你只要拿一把步槍往反方向發射就可以了。如果你對物理學有興趣，就會知道這是牛頓的第三運動定律──「作用力等於反作用力」。雪橇會移動並不是因為子彈推動空氣。你在真空中甚至可以移動得更快。真空中的火箭發動機也是同樣道理。
地球的自轉軸傾斜，表示這顆行星在繞著太陽轉動時會產生季節變化。也就是說，覓食或繁殖的最佳場所每個月都會不一樣。對許多動物來說，尋找較好天氣的益處大於遠距離移動的代價，而這是整體考量的結果。當然，「較好」不一定是指人類認為的好天氣，例如適合過暑假的地方。鯨魚會從溫暖的繁殖地遷徙到溫度較低的水域，那裡的洋流會把豐富的營養物帶上來，補充牠們所仰賴的食物鏈；翅膀能讓鳥類移動非常遠的距離，許多種類的鳥都會遷徙，其中移動距離最遠的紀錄保持者是北極燕鷗（Arctic tern），牠們每年都會從北極的繁殖區一路飛到南極──一萬兩千英里──然後再返回原地。牠們僅需兩個月就能完成這趟旅程。要在這麼短的時間內移動如此巨大的距離，就只能透過飛行。北極燕鷗每年經歷兩個夏季而無冬季，這個極端的例子提供了線索，讓我們了解為何有這麼多動物都會遷徙。
許多會遷徙的動物（不只鳥類）都展現了準確導航能力以及強大的耐力。歐洲家燕會在非洲過冬，隔年夏天再回到同一個地點，也就是自己的巢──真是驚人的精確導航能力。鳥類怎麼做得到這種事，長久以來始終是個謎。我們正在解答這個問題。為了掌握鳥類的遷移，鳥類學家會替鳥戴上小型腳環（美國人所謂的「套環」）標記個體，而現今則是使用小型的GPS發送器。他們甚至會運用雷達追蹤大批鳥類遷徙時的路線。我們已經開始了解鳥類會運用數種導航技巧，而且不同物種在遷徙的不同階段中會偏好採取不同的方法組合。
參考熟悉的地標是其中一種方式，尤其是在候鳥歸巢的最後階段。不過在漫長旅程的途中，鳥類也會沿著河流、海岸線或山脈飛。許多種類的幼鳥在第一次遷徙時都必須由年紀較大、有經歷又了解地形的成鳥陪同。除了地標，鳥類通常也會借助體內的羅盤。現在我們已經確定有些物種能夠感應到地球的磁場。雖然我們不太清楚牠們是如何看見或感受到方向，但證據顯示牠們確實可以。這裡說的「看見」或許確有其事，因為有一項主流理論認為相關機制就在牠們的眼睛裡。

第二章 飛行的好處？
能夠回答這個問題的方式實在太多了，說不定你還會納悶有什麼好問的。我們先別幻想自己無憂無慮地飄浮在神話般的雲朵之間，而是要──恕我直言──「腳踏實地」。我們必須給出明確的答案。從生命有機體的角度來看，這是指達爾文式的答案。所有生物都是經由演化改變而來。對於生物來說，「有什麼好處」這個問題的解答永遠都一樣：達爾文式的物競天擇，或稱為「適者生存」。
那麼，就達爾文的觀點而言，翅膀有什麼「好處」？對動物的生存有好處嗎？當然有，我們很快就會提到許多實際應用的獨特方式。例如從天空尋找食...

開端／飛行之夢

你是否偶爾會夢見自己像鳥一樣飛行？我會，而且我很喜歡。輕鬆自如地於樹梢上空滑翔，時而高飛時而俯衝，在三度空間裡遊玩與閃躲。電腦遊戲和虛擬實境裝置（VR）可以帶我們的想像馳騁，飛過虛構與魔幻的空間。然而這並不是真實。難怪過去一些最有才智的人物都渴望能像鳥一樣飛行，還設計出相關的機器，尤其是李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）。之後我們還會提到那些古老的設計。雖然它們未成功，大部分也根本就不可能成功，但這並未扼殺夢想。

正如你所預期，《翼想天開》是一本關於飛行的書──人類過去數個世紀以及動物數百萬年來所發現各種對抗地心引力的方式。不過當中也包含了誇張的想法與概念。這類偏離飛行的內容將以較小的字體顯示，通常會以粗體的「順帶一提……」作為開頭。

先從最天馬行空的幻想開始吧。二○一一年美聯社（Associated Press）有一項民調顯示，百分之七十七的美國人相信天使存在。穆斯林必須相信天使。羅馬天主教徒歷來就認為我們每個人都有一位守護天使。這代表有很多翅膀在我們周圍無聲無形地拍動著。根據《一千零一夜》（The Arabian Nights）的傳奇故事，只要坐上魔毯，你就可以立刻飛到任何目的地。神話裡的所羅門王有一張足以承載四萬人的閃亮絲綢飛毯。他在上頭能夠控制風將自己吹向想去的地方。希臘傳說中的佩加索斯（Pegasus）是一隻有翅膀的白色駿馬，載著英雄柏勒洛豐（Bellerophon）完成了殺死怪物奇美拉（Chimera）的任務。穆斯林相信先知穆罕默德跟一匹飛馬踏上了「夜之旅」。他騎著布拉克（Buraq）從麥加飛馳到耶路撒冷，那是一種有翅膀的馬形生物，通常被描述為長著人臉，就像希臘傳說中的半人馬。「夜之旅」是大家都曾夢過的經歷，而我們在夢中的某些旅程（包括飛行）至少都會跟穆罕默德的夢一樣奇特。

希臘神話中著名的伊卡洛斯（Icarus）將一對用羽毛和蠟製成的翅膀裝在手臂上。後來驕傲的伊卡洛斯飛得過於接近太陽。陽光融化了蠟，導致他墜落而死。這是個很好的警惕，提醒我們不要得意忘形，當然如果是在現實中，他飛得越高就會越冷，而不是變得更熱。

女巫要能騎著掃帚從空中呼嘯飛過，而哈利波特最近也加入了她們。聖誕老人跟他的馴鹿在十二月雪的高空中高速來回於煙囪之間。冥想的大師和苦行者假裝能在打坐時懸空。飄浮是一種非常流行的迷思，跟它有關的漫畫笑話幾乎都要跟荒島笑話一樣多了。當然，我最愛的一幅諷刺漫畫出自《紐約客》（New Yorker）。有個男人在街頭看見設置在牆壁高處的一扇門。門上的牌子寫著：「國家飄浮協會」（National Levitation Society）。

亞瑟．柯南．道爾爵士（Sir Arthur Conan Doyle）創造了重視科學細節而理性的夏洛克．福爾摩斯（Sherlock Holmes），算是虛構偵探的第一人。他的另一位角色則為令人生畏的查林傑教授（Professor Challenger），是一位極度理性的科學家。道爾顯然很欽佩他們，但他自己卻犯下會遭到這兩位英雄鄙視的錯──被一場幼稚的惡作劇愚弄了。這裡是指字面上的幼稚，因為有兩個愛開玩笑的孩子對照片動手腳，用長著翅膀的「精靈」騙過了他。兩位表親艾爾西．萊特（Elsie Wright）和法蘭西絲．格里菲斯（Frances Griffiths）從一本書中剪下了精靈的圖片，然後黏到硬紙板上，掛在花園裡，再互相拍下彼此跟精靈相處的樣子。在「科廷利精靈」（Cottingley Fairies）騙局中上當的許多人之間，道爾是最出名的一位。他甚至還寫了《精靈的到來》（The Coming of the Fairies）一整本書，藉此推動自己強烈的信念：真的有那些長著翅膀的小人在花朵之間飛掠來回。

暴躁的查林傑教授可能會吼著問：「精靈是從哪個祖宗演化來的？也是像一般人類從猿演變而成的嗎？那些翅膀的演化起源是什麼？」道爾本人是略懂解剖學的醫生，應該會好奇精靈翅膀到底是從肩胛骨、肋骨或某種全新部位演化而來的突出物。對今天的我們來說，那些照片看起來很明顯就是偽造的。不過這裡要為亞瑟爵士說句公道話：當時可是在Photoshop出現的很久很久以前，人們也普遍相信「相機不會說謊」。處於網際網路世代的我們都知道要偽造照片太容易了。雖然那對「科廷利」表親承認了自己的惡作劇，不過那個時候她們都已經超過七十歲，柯南．道爾也早就過世了。

夢想仍在繼續。每一天它都帶著我們的想像力飛馳於網際網路。我在英國打字輸入的這些內容會「飛上」雲端，隨時都能「下降」到美國的電腦裡。我可以登入帳號看見一個旋轉的世界，以虛擬的方式從牛津「飛」到澳洲，在途中往「下」還能看見阿爾卑斯山脈跟喜馬拉雅山脈。我不知道科學小說裡的反重力機器到底會不會實現。我對此持懷疑態度，也認為可能性不大。本書會在不偏離科學事實的前提下，列出馴服地心引力的方式，但這並不是真正的逃離。人類的技術和其他動物的生態習性會如何解決離開地面的問題：要怎麼暫時或部分地逃離蠻橫的重力？不過我們得先明白動物離開地面為什麼是件好事。在大自然的世界裡，飛行有什麼好處？

開端／飛行之夢

你是否偶爾會夢見自己像鳥一樣飛行？我會，而且我很喜歡。輕鬆自如地於樹梢上空滑翔，時而高飛時而俯衝，在三度空間裡遊玩與閃躲。電腦遊戲和虛擬實境裝置（VR）可以帶我們的想像馳騁，飛過虛構與魔幻的空間。然而這並不是真實。難怪過去一些最有才智的人物都渴望能像鳥一樣飛行，還設計出相關的機器，尤其是李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）。之後我們還會提到那些古老的設計。雖然它們未成功，大部分也根本就不可能成功，但這並未扼殺夢想。

正如你所預期，《翼想天開》是一本關於飛行的書──人類過去數個世...

第一章　飛行之夢
第二章　飛行有什麼好處？
第三章　如果飛行這麼棒，為什麼有些動物會失去翅膀？
第四章　體型小才好飛
第五章　體型大又想飛，就要增加大比例的表面積
第六章　無動力飛行：跳傘與滑翔
第七章　動力飛行及其原理
第八章　動物的動力飛行
第九章　輕於空氣
第十章　無重力
第十一章　大氣浮游生物
第十二章　植物的「翅膀」
第十三章　演化與設計的飛行機器
第十四章　不完整的翅膀有什麼用？
第十五章　向外的衝動：超越飛行
作者與繪者簡介
誌謝
圖片出處
索引

第一章　飛行之夢
第二章　飛行有什麼好處？
第三章　如果飛行這麼棒，為什麼有些動物會失去翅膀？
第四章　體型小才好飛
第五章　體型大又想飛，就要增加大比例的表面積
第六章　無動力飛行：跳傘與滑翔
第七章　動力飛行及其原理
第八章　動物的動力飛行
第九章　輕於空氣
第十章　無重力
第十一章　大氣浮游生物
第十二章　植物的「翅膀」
第十三章　演化與設計的飛行機器
第十四章　不完整的翅膀有什麼用？
第十五章　向外的衝動：超越飛行
作者與繪者簡介
誌謝
圖片出處
索引