貓頭鷹的特異本領(lǐng)

頭部自由轉(zhuǎn)動270度

貓頭鷹的腦袋好像完全違背了常規(guī)，可以進(jìn)行270度的自由轉(zhuǎn)動，頸部和頭部的血管卻一點(diǎn)也不會被傷害，大腦的供血也不會受阻。現(xiàn)在，貓頭鷹的這一秘密終于被美國專家揭開。科學(xué)家們通過血管造影術(shù)、CT掃描和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了貓頭鷹體內(nèi)有4種防止頭部轉(zhuǎn)動時受傷的適應(yīng)性進(jìn)化結(jié)構(gòu)，它的骨骼為了支撐過重的頭部也發(fā)生了相應(yīng)的變化。這一發(fā)現(xiàn)獲得了2012年美國國家科學(xué)基金會評選的國際科學(xué)與工程視覺挑戰(zhàn)大賽信息繪圖組的冠軍，研究結(jié)果刊登在2013年2月1日出版的《科學(xué)》期刊上。

科學(xué)家研究了因自然原因引起死亡的大角貓頭鷹，發(fā)現(xiàn)它的脊椎動脈進(jìn)入脖子的位置相對于其他鳥類更高。貓頭鷹頸部一根負(fù)責(zé)給大腦供血的主動脈穿過頸椎骨中央的空穴，而空穴的直徑比穿過它的血管直徑要大9倍，多余的空間為動脈血管提供了緩沖氣墊，使動脈在頭部扭轉(zhuǎn)時有充足的移動空間。與人類不同，貓頭鷹有連接頸動脈和脊椎動脈的微血管結(jié)構(gòu)，使血液能在兩條血管之間進(jìn)行交換。微血管結(jié)構(gòu)中還有一條專門的三叉血管，確保大角度的頭部扭轉(zhuǎn)在堵死其中一個通道時，血液照樣能不間斷地流向大腦。頭部270度的自由轉(zhuǎn)動使得貓頭鷹能夠在站立不動的情況下獲得較大的視野，發(fā)現(xiàn)獵物和天敵。

為了解開這個謎題，醫(yī)學(xué)專家通過注射顯影劑加強(qiáng)貓頭鷹血管的X光成像，然后進(jìn)行剖析和掃描成像，以便做詳細(xì)的分析和研究。最引人注目的情況出現(xiàn)在研究人員把顯影劑注入到貓頭鷹的動脈里，模擬血液的流動。當(dāng)他們用手轉(zhuǎn)動它頭部的時候，只見頭底部頜骨下面的血管隨著越來越多顯影劑的進(jìn)入變得越來越粗。這和人體形成了鮮明的對比，遇上這種情況時動脈一般傾向于變小，不會在偏離原位的時候變粗起來。

研究人員說，能夠張弛的血管類似于緩存血庫，可以在貓頭鷹轉(zhuǎn)動頭部時給它的大腦和眼睛提供滿足能源需求的血液。這些適應(yīng)性的血管網(wǎng)起著相互聯(lián)系的支持作用，有助于最大限度地減少任何血流中斷。“我們新研究的結(jié)果清楚地表明，頭部旋轉(zhuǎn)離不開適應(yīng)性進(jìn)化結(jié)構(gòu)。”蓋爾勞德博士指出，“人類的脊椎動脈的確是在頸部空腔里，但與貓頭鷹不同，它的結(jié)構(gòu)特別適合于動脈的更大彈性和運(yùn)動。因?yàn)槿狈ω堫^鷹的保護(hù)機(jī)制，人激烈轉(zhuǎn)動頭部是非常危險(xiǎn)的。”

霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)成像師梅爾卡多也參與了這項(xiàng)研究，他說：“人類頸椎的動脈就緊緊貼著頸椎骨的空穴，而貓頭鷹卻完全不同，有著允許動脈進(jìn)行更靈活活動的空間。”

捕捉獵物悄無聲息

貓頭鷹具備不可思議的“隱”聲飛行能力，它能依靠與其他鳥類不同的羽翼結(jié)構(gòu)減少噪音，悄無聲息地捕捉獵物。為了更好地了解貓頭鷹如何減輕噪音，并且設(shè)法把它“無聲飛行”的原理運(yùn)用在飛機(jī)之上，英國劍橋大學(xué)的研究人員研究了貓頭鷹特殊的羽翼結(jié)構(gòu)。如果嘗試成功，那么飛機(jī)在起飛或降落時就再也不會發(fā)出震耳欲聾的轟鳴聲了。他們在美國物理學(xué)會流體動力學(xué)部的年會公布了這項(xiàng)研究成果，由于對貓頭鷹飛行特征的研究可能是打造“無聲”飛機(jī)的關(guān)鍵所在，因此引起了與會者的廣泛關(guān)注。

“很多種類的貓頭鷹都有著獨(dú)特的羽翼結(jié)構(gòu)，這能卓有成效降低它們在飛行過程中發(fā)出的噪音，讓它們能夠僅僅依靠聽力就能夠捕獲到獵物。”英國劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系賈斯汀·沃斯基教授說，“沒有人確切地知道貓頭鷹是如何實(shí)現(xiàn)‘隱’聲飛行的，只能對貓頭鷹的羽翼及其生理機(jī)能和其他不那么安靜的鳥類如鴿子進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上去尋找它之所以具備這種特異功能的原因。”

不論是自然界中鳥類天生的羽翼還是飛行器上人工造的機(jī)翼，都會在飛行過程中因?yàn)榕拇蚩諝舛a(chǎn)生湍流漩渦。當(dāng)這些漩渦與羽翼后端或機(jī)翼后緣撞擊時，便會被放大并且作為聲音散射。傳統(tǒng)飛機(jī)由于機(jī)翼后緣很硬，所以發(fā)出的噪音特別響。

然而，科學(xué)家認(rèn)為貓頭鷹羽翼獨(dú)特的物理特性有助于它的“隱”聲飛行能力。這至少體現(xiàn)在3個方面：沿著羽翼前緣的羽毛很硬，呈鋸齒狀排列；在羽翼上方，覆蓋著有較柔軟的絨毛；繞著羽翼后緣，長著靈活的須邊。究竟是單一的還是幾種物理特性的組合起到了降低噪聲的作用，目前還不清楚。

研究人員試圖解開這個謎團(tuán)，進(jìn)一步發(fā)展貓頭鷹通過羽翼后緣以減輕噪聲能力的理論基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)飛機(jī)中，主要的噪聲源在機(jī)翼后緣。此前關(guān)于貓頭鷹的噪聲實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)速對貓頭鷹飛行過程中噪音高低的影響較小。在這次試驗(yàn)中，研究人員用數(shù)學(xué)模型表明，一個靈活多孔并且可以調(diào)節(jié)的機(jī)翼后緣產(chǎn)生的空氣動力噪音取決于飛行速度，飛機(jī)在飛行時就像是沒有機(jī)翼邊緣一樣。對此，劍橋大學(xué)的奈杰爾·皮克教授稱：“這表明傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼所制造的噪音是可以減輕的。”