理论形态空间揭示鸟类机翼翼型对飞行方式的混合优化

为何鸟翼形状仍然重要

从悬停的蜂鸟到滑翔的信天翁，鸟类展示了令人惊讶的多种保持空中飞行的方式。但这种多样性有多少是由翼的具体轮廓决定的，又有多少由肌肉力量或遗传家族特征等其他因素驱动？本研究通过构建一个所有可能鸟翼形状的虚拟地图来解决这个难题，并探问在理论上哪些形状对于不同生活方式的飞行是最优的。

探索可能的翼形地图

研究人员收集了1,139张现代鸟类张开至全展的翼的图像，覆盖了41个现存鸟类目中的36个。他们描绘了每只翼的外缘，并使用一种数学方法以少量形状参数来描述其轮廓。然后系统地改变这些参数以生成一个“理论形态空间”——一个包含数百种可能翼轮廓的网格，这些轮廓不仅覆盖了真实鸟类中出现的所有形状，还扩展到了自然界中尚不存在的形式。

检验这些形状在理论上如何飞行

在这个理论网格上，作者计算了每种翼轮廓在简单且被广泛使用的飞行衡量标准下的性能。他们考察了四个关键特征：翼的长度与狭长程度（与低能耗远距离飞行相关）、翼面积从基部到翼尖的分布（与紧急转弯能力相关）、翼进入不稳定状态以实现突发机动的难易程度（与敏捷性相关）、以及翼尖的尖锐或圆钝程度（与升力与阻力之间的权衡相关）。他们还将这些特征结合起来以表示七类广义飞行生态位，例如海上滑翔、长途迁徙、悬停、潜水和快速起飞。结果是一组平滑的“性能景观”，显示在所有可能翼型的空间中，理论上每种飞行方式的最佳形状应位于何处。

真实鸟类在形状空间中的位置

接着，研究人员将真实鸟类的机翼点回绘到这些性能地图上。对于某些高要求的飞行模式，如悬停、翼辅助潜水和空中捕猎，许多物种聚集在预测的最佳位点附近。蜂鸟、企鹅、雨燕和其他灵活的飞行者的翼型被发现与其任务的理论最优形状高度相似，通常能达到超过80–90%的理想匹配度。相反，依赖低能耗长距离滑翔的鸟类，如信天翁和迁徙涉禽，在形状上却惊人地远离理论上能最小化飞行代价的形式。即便是现存翼展最长的信天翁，也远未达到理论上的最佳形状——这些最佳形状似乎将鸟类在仍能起飞、着陆并繁殖时所能承受的极限推到了边缘。

为何许多鸟类并非完美飞行器

也许最出乎意料的发现是，大量物种，特别是停栖鸟类如鸣禽和许多陆栖鸟类，明显并未针对任何单一测试的飞行指标进行优化。相反，它们占据了一大片“足够好”的高原形状区，尤其是在基本机动性方面。研究发现，整体上翼形仅留下微弱的血统印记：相关类群常常演化出相似的轮廓，是因为它们面临相似的飞行需求，而不只是因为它们有共同的历史。然而，对于许多日常飞行者来说，其他因素——包括拍翼方式、体型构造以及翼在非飞行功能（如展示）中的作用——似乎与或比精确轮廓更为重要。

这对理解鸟类飞行意味着什么

简而言之，这项工作表明翼形在鸟类飞行中仍然起着关键作用，但并非以一种简单的、适用于所有情况的方式发挥作用。极端专门化的物种如悬停者、潜水者和空中猎手在物理驱动下趋向于非常特定的翼轮廓，许多物种已演化出接近这些理论理想的形状。相比之下，滑翔者和通用型物种往往远离“完美”，因为它们必须在飞行与起飞、着陆及地面生活等其他需求之间进行权衡。总体而言，研究认为与敏捷性相关的需求是塑造鸟翼的主要力量，而基本机动性更多地设定了一个最低标准而非最高峰值。因此翼形是决定鸟类如何在空中移动的复杂拼图中的一个重要组成部分——但并非唯一因素。

引用: Walters, B., Liu, Y., Rayfield, E.J. et al. Theoretical morphospace reveals mixed optimisation of the avian wing planform for flight style. Nat Commun 17, 3902 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70692-w

关键词: 鸟翼, 飞行性能, 翼形, 空气动力学, 进化