你知道吗。昆虫是地球上第一批“飞行家”,它的飞行史已有3亿多年。昆虫是靠自身背部进化出的一对(或两对)翅膀来进行飞翔的。此后约过2亿年,第二批“飞行家”上了天,这就是鸟类。鸟是将前肢进化成一对翅膀,来进行飞翔的。
大约在35亿年以前,地球上的昆虫迅速发展。大家熟悉的蟑螂,是当时地球上最占优势的一类飞行动物。科学家从化石的遗骸中鉴别出500多种蟑螂。这些古代蟑螂,与我们今天见到的蟑螂差别不大,都有翅膀,并且会扑动翅膀作短距离飞行,可以说它们是有翅类昆虫中最古老的成员。而古代有翅昆虫中个头最大的,要数石炭纪时期的巨大古代蜻蜓——现代蜻蜓的祖先了,它的翅膀展开了可达762厘米,常在原始时代的沼泽地区自由飞行。
那么,昆虫的翅膀是怎样产生的呢。
法国著名博物学家拉马克,在1809年出版的名作《动物学哲学》中写道:“凡是没有达到其发展限度的动物,它的任何一个器官经常利用的次数越多,就会促使这个器官逐渐地巩固、发展并增大起来,而且其能力的进步与使用的时间成正比例。”这就是拉马克著名的“用进废退”学说。你看,刚刚从蝌蚪发育成成体的小青蛙,爬上岸时,四肢很小,尾巴很大,后来在陆地上由于经常用后腿跳跃,后腿就变得发达起来,而尾巴却因用不上而退化消失了。“用进废退”的现象,在我们周围到处可见。
然而,科学家经研究认为,昆虫翅膀与身体的长度应有一定的比例,也就是说昆虫的翅膀必须达到足够的长度时,才能飞行。昆虫最初长出的那种又小又短的翅蕾对飞行是毫无用处的,根本谈不上越用越发达。因此用拉马克和达尔文的学说无法解释昆虫翅膀的由来。
1978年,美国堪萨斯大学的研究生道格拉斯,别出心裁地提出了一个假说。他认为昆虫的翅膀当初并不是用来飞行的,而是用来吸收太阳的热能,换句话说,是用来当暖气片用的。冬天,昆虫和其他冷血动物体内的生化反应变得极为缓慢,它们的行动自然也十分迟缓。这样,早期的翅蕾被昆虫用来吸收太阳能,以提高体温和增强活动能力。为了吸取更多的太阳能,经过长时间的不断演化,昆虫的翅膀越长越长,越长越大,最后终于达到了可供飞行的长度。
后来,美国伯克利加州大学科学家柯尔和布朗大学科学家金梭佛,试图用实验来验证道格拉斯的假说。他们用不同大小的人造翅膀和虫体,测量吸热和传热的关系,并用风洞来检查这些人造昆虫的飞行能力。实验结果大体肯定了道格拉斯的假说,同时也提出了一个问题:翅膀越大,固然吸收的热量越多,但是,热量传导时消耗的能量也越多,也就是说翅膀大吸收的热量多,消耗的热量也多。进一步研究得知,翅膀长于1.25厘米时,吸放热量达到平衡,这时传入虫体的热量便不再增加。换句话说,如果仅仅为了吸热,昆虫翅膀不应该长于1.25厘米。然而根据空气动力学原理,1.25厘米的长度,还不足以使虫体飞翔。要使虫体在空中飞翔,翅膀长度起码要有2.5厘米。
20世纪90年代,美国海洋生物学家格拉汉姆指出,在3亿年前的石炭纪时期,地球表面的空气比较稠密,含氧量也较高。地球化学家波诺尔指出,那时空气的含氧量为35%(现在为21%)。所以格拉汉姆认为,稠密的大气,可以给昆虫翅膀提供额外的升力。
英国剑桥大学的埃林顿等4名研究人员,用飞蛾在风洞中做飞行实验,还制造了一个机械模型进行详细的分析研究。他们发现,飞蛾向下拍动翅膀时,首先需要把翅膀举至最高位置,然后再向下扇动翅膀。从翅膀根部产生的细小空气涡流,会一直朝着翼端向外流动,这样,翅膀上方的空气压力便会大大降低,从而产生了向上的托力,把飞蛾托举在半空中。可见,昆虫飞翔时,并不是按普通空气动力学原理进行的。
真是越来越复杂了。昆虫翅膀,当初到底是用来吸热的,还是用来飞翔的;或是开始为吸热,后来改用飞翔,仍是一个谜。如果能搞清楚这个谜,那么对人类航天飞行器的发展将会有一个质的飞跃。