飞蛾与蝙蝠的玩命游戏介绍

捕捉瞬间的信息

央视国际 2004年10月14日 16:32

观众朋友，欢迎收看今天的走近科学，我们人，总是有一些以自我为中心的成见，有一句俗话叫做：眼见为实，耳听为虚。意思是耳朵听到的信息总是靠不住的，只有亲眼见到了才是可信的。但是大自然的很多现象就挑战了我们的这种成见。蝙蝠利用超声波来感知周围的世界就是其中的一种，他不但让我们改变了这种观点，而且还让我们从中受到了不少启发。

蝙蝠，一种小型的兽类动物。在西方人的眼中，总是象征着邪恶、神秘。

在西方电影中，蝙蝠具有一种灵异的力量，它可以是吸血恶魔，也可以是巫婆施展魔法的神秘道具。作为影视作品中表现悬疑、恐怖氛围的绝好符号，他有着凶狠的面孔外形诡秘的巨大双翼以及他置身其中的，无边黑暗空间。

但是，吸引科学家的并非是蝙蝠在传说中的灵异力量，而是他们在搜集信息的特殊本领。从生物学的研究来看，大多数蝙蝠正是在黑暗的环境里完成他们的主要活动——灵活自如的绕开障碍物，准确无误的捕食昆虫，但是并不用他们的眼睛。这种奇异的本领让很多科学家对此感到不可思议。

最早将目光投向蝙蝠这种能力的人是18世纪的一位意大利生物学家，斯帕兰扎尼。同时也是教堂牧师的，对蝙蝠的这种生物本领充满了好奇。

采 访：张树义
 

这个人当时提出一个假设，蝙蝠可能和猫头鹰一样，因为猫头鹰也是在晚上捕食的，他可能需要一些微弱的广，才可以捕食，于是他就作了一系列试验，现在有些试验看来是比较残忍的，他把蝙蝠的眼睛挖出来，一开始是用布蒙上，后来担心用布不是很严密，就用解剖的方法把眼睛挖出来，但是即使蝙蝠没有眼睛，他仍然灵活自如，几乎和他有眼睛没有太大的区别。

这位生物学家当时断定，蝙蝠并不是用眼睛来感受周围的世界，而是用我们还不清楚的一种感觉机制。(找格里芬和哈佛校园图)一百多年后的1930年，美国人唐纳.格里芬终于揭开了这个谜团，当时的格里芬还是哈佛大学的一个学生，对与斯帕兰扎尼留下来的“蝙蝠问题”，他产生了浓厚的兴趣。这一次，他遇到了一次绝好的机会。

采 访：就像历史上任何伟大的发现一样，当两个学科的人在一起的时候就会有一个大的发现，学校的物理系的学生，研制出一套能够探测超声波的设备，他听说了这一个事情之后，就带了蝙蝠去那个实验室拜访，看究竟蝙蝠有没有可能是超声，结果一去，搞物理的同事探测超声波的一起就哗啦哗啦响，当时可以说长期以来人们都在探索的一个问题有了最终的答案，人们发现蝙蝠使用超声波，人耳听不到。

在此基础上，格里芬进一步研究了蝙蝠发出超声波的特性。他发出超声波的器官是他的嘴或者喉部，这也是一些蝙蝠在飞行的时候，始终张着他们的嘴的原因。此外，发出超声波的蝙蝠在头部有着硕大的耳朵，最大的蝙蝠耳朵可以超过蝙蝠身体长度的一半。耳朵里面有类似蜗牛形状的器官，这一部分负责接收返回的超声波。最关键的一环在于大脑，他能够通过声波来回所经历的时间，来精确的判断出目标的距离和方位。格里芬把这套浓缩在蝙蝠精巧身体里的系统机制称为“回声定位”。

而仅仅在几年之后，发生在英国的一件事情，拉开了人类利用回声定位的序幕。1936年，在当时的英国空军总司令道丁的命令下，英国皇家海军实验室研制出了一种新型的电子仪器。利用它能够远距离侦察前来侵袭的敌军飞机。道钉的判断无疑是正确的，此时的欧洲大陆，纳粹的力量正在滋长，战争的乌云已经弥漫开来。

这种仪器的名称叫做“无线电侦察与测距”，在英文里，他的每个首写字母拼起来就是我们通常所说的雷达。他同样依靠发射和接收来判断目标的方位和距离。和蝙蝠不同的是，他使用的是电磁波，而蝙蝠则是生物学上的超声波。

雷达从开始研制的时候起，就是为军事上的攻击和防御服务的。二战之前，在各国不断发展空中力量的形势下，人类首次利用回声定位的原理制造出来的仪器注定要发挥它强大的功能。基于对战争局势的判断，从1936年到1940年，英国利用这项发明，迅速完成了针对天空的侦察与布防。这种战略部署让英国的飞机和高射火炮有充足的时间迎战前来侵袭的德国飞机。而在这之前，英国的飞机往往还没来得及起飞，就被敌军的轰炸机摧毁了。

1940年的8月13日，德国人出动几千架飞机，开始向大不列颠的方向进发，当时的英国，用于防御的飞机数量还不到德国人的一半。但是，这一次，德国人雄心勃勃的征服计划遭到了重大挫折。由于有雷达的预警和引导，英国的飞机和防空火炮巴作用发挥到了极限，第一天，德国飞机损失惨重。德国空军司令戈林把首战失利归结于英国的雷达系统，在后续的进攻中，曾下令攻击英国的雷达系统，但是德军飞机还没有靠近雷达站，就被提前获知消息的英国飞机升空拦截了。在大不列颠空战第一次亮相，雷达取得了前所未有的成功。

从雷达被用作军事设备，因为它强大的探测能力，在出现后的一段时间里，确实让他的使用者获得了一定的优势，但是雷达是不是真的无往不利，战无不胜呢? 在二战后期，在雷达开始发展起来的同时，反雷达的战术、方法以及仪器其实也在发展。而在自然中，这场在夜蛾和蝙蝠之间进行的定位与反定位的无声战争，几千万年来就一直在上演。

蝙蝠是一种古老的动物，他们在地球上的存在的历史可以追溯到恐龙时代。这是一些远古蝙蝠的化石，根据研究者的推测，他很可能是在几千万年前的一次气体中毒事件中突然死亡的，从他的胃里还能发现没有消化过的昆虫肢体。在高倍显微镜下，研究者发现了翅膀上的磷粉。这说明从几千万年前开始，蝙蝠就开始以蛾类为他们的食物。那么在这漫长的进化史中，蛾类是否就任由蝙蝠捕食呢？

采访：我们知道绝大多数蝙蝠是吃昆虫，和昆虫长期形成捕食与被捕食的关系，我们知道，昆虫要生存下来，他也要有逃避的策略，如果没有，就消灭了，在生态学动物学上，我们叫协同进化，二者之间并不是说随便就可以吃掉。昆虫进化出了包括行为，生理结构，可 以逃避。

科学家们在夜蛾的身上发现了令人惊异的功能。这是蝙蝠捕食的一种夜蛾，科学家发现，在他的腿关节里面隐藏着一种能够震动发生的器官。科学家认为，他应该是一种逃生用的工具。（20秒）

采 访：张树义
 

同时有些昆虫可以发出干扰的超声波，蝙蝠不是要探测吗？我就发出干扰，这样可以在短期内给蝙蝠制造混乱，昆虫是一个好的逃跑时机，所以昆虫并不是完全坐以待毙，被蝙蝠吃掉，也要采取精心设计的策略去逃避。

同样在军事领域里，飞机在面对雷达的时候并不总是无所作为，在雷达出现后不久，专门针对雷达探测的战术就开始被使用了。

采 访：宋
 

这个从电子对抗的角度讲，开始有了雷达，以后就有了反雷达措施，最早的反雷达措施就是在飞机上往下面撒铝箔，一片一片的铝箔，这样撒下好多的铝箔来，雷达看到的就是一大片飞机；另外以后出现的有干扰机，无线电来干扰。

而对于蝙蝠的雷达探测，干扰并不是夜蛾惟一的方法。这是科学家们在夜蛾的翅膀下面找到的一个特殊器官。通过解剖，科学家发现里面其中的结构十分简单，只有两个特殊的传感细胞和用来传导的神经。那么，他是用来做什么的呢？

采 访：张树义
 

实际上又的昆虫在进化中能够探听到蝙蝠超声波的结构，能力。相当多的蛾类在身体侧面有两个单细胞的耳，也可以说是耳，结构很简单，但是他的结构非常简单，和大型动物的耳朵无法比，是听器，它可以听到的频率甚至可以达到60千赫，意味着相当多的蝙蝠发出的超声波集中在这个频率，就是说进化出的器官就是为了探听超声波。1745一旦听器告诉他附近有蝙蝠，会采取不同的方式，比如说体形比较大的，就飞，因为大，速度快，可能蝙蝠追不上。

科学家在实验室中验证了这一现象，他们把这种飞蛾固定在一个地方，然后用仪器对他发出模拟蝙蝠频率的超声波，这时候，飞蛾开始大幅的振动翅膀，这是飞蛾想要逃跑的表现。同时这也表明飞蛾对于这种超声波确实能产生感应。而一旦超声波被关掉的时候，飞蛾的这种行为马上就停止了。

不管怎样，蛾子的这种逃生行为的成功几率有限，而且，对于蝙蝠来说，这也构不成对他的威胁，最多不过是进行下一轮搜寻。而在雷达和飞机，导弹的角逐过程中，情况就没有这么简单了。飞机上的感应器在捕捉到雷达的信息后，会发射跟踪导弹，在一声巨响之后，雷达站就灰飞烟灭了。

我们刚才看到，蝙蝠和夜蛾之间以及飞机和雷达之间的这种在战略上的较量，其实这种较就像两个人打架一样，打不赢我可以跑，但是要是跑不快呢，在被抓住之后肯定又是一阵暴打。那么有没有一种一劳永逸的方法摆脱这种被动的局面呢？有的小孩可能会想，在敌人面前突然消失可能是最好的办法，我们可以想象对手在对着一团无形的空气时，脸上惊愕的表情。其实，这种办法并不是不能做到，被蝙蝠追击的有些夜蛾就可以这样，人类制造出的飞机在雷达面前也可以做到这一点。

但是，千万别以为这是齐天大圣的变戏法。

很多的蛾类都能探测到蝙蝠发出的超声波，但是他们逃跑的方式却各有不同。

这是一架模拟蝙蝠发射超声波的仪器，当夜蛾飞进超声波覆盖的范围时，它做出了一个令人意想不到的动作，他突然收起翅膀，直接掉向地面。通过高速摄像机拍摄到的镜头我们可以清楚的看清他的运动轨迹。

采 访：张树义
 

还有一种可能是蝙蝠靠近时采取一种家死的方式，接近时突然假死，好像没有生命一样，枯叶一样掉下来。而蝙蝠一开始在后面紧追不舍，突然垂直调到地面上，蝙蝠在一瞬间，还没有反应过来就冲过去了。

可以想象，在蝙蝠看来，仿佛是一瞬间，夜蛾就从他的超声波探测屏幕上消失得无影无踪。（延续演示）

不过，对于夜蛾来说，这种动作的技术难度显然太大，他只被少数种类的夜蛾掌握。除此之外，还有更为省力的方法被用来对付蝙蝠。（发现的蝙蝠）

在某些夜蛾的身体表面有着一种类似毛发的结构，他们的质地和排列方式，能有效的吸收蝙蝠所发出的超声波能量。这样，蝙蝠就几乎听不到他反射的超声回波。

即使是这一招不管用，夜蛾在逃跑的时候也会采取另一种方法来增加逃生成功的几率。他们能改变翅膀表面对着蝙蝠的角度，以减少身体对蝙蝠超声波的反射。（动画：目标框）

采 访：张树义
 

和表面积形状肯定是有关系，如果波刚好撞倒翅膀上，翅膀有相对较大，又是以90度的方向撞倒的，或者以侧面撞倒的，对这个波的反射是不一样的。

现在，人类制造的某些产品也利用了相似的原理。从电视新闻里经历过上个世纪海湾战争的人对于这种外形奇特的飞机估计不会陌生，这种飞机曾经让伊拉克的雷达防空系统对他防不胜防。这就是美国空军使用的f117隐形轰炸机。

那么是什么使这架飞机具备了隐形能力？是她黑色的机身吗，在夜间飞行的f117看起来确实像是飘忽无形的鬼魅，但是如同夜间捕食的蝙蝠不会理会昆虫的颜色一样，飞机外观的颜色对于雷达探测来说，也是没有影响的。

但是，隐形的奥秘就在机身的表面！在他的黑色机身下面，覆盖的一层轻薄的特殊材料，雷达波的能量在遇到这种材料后，大部分就被加热散发掉了。这样，就像蝙蝠探测不到能够吸收超声波的夜蛾一样，雷达也很难探测这种飞机反射的回波。

不过，吸收雷达波的材料并不是这架飞机能够隐形的全部奥秘。他更为重要的隐形设计来自他不可思议的诡异外形。

F117隐形技术的起源应该追溯到上个世纪60年代早期，美国洛克西德公司生产的黑鸟侦察机。黑鸟的出现是隐形技术发展的里程碑。不能携带武器的侦察机，在执行侦察任务的同时，要尽量躲避雷达的追踪。那时研究反雷达的科学家们已经发现，体积同等大小的两个物体，在雷达屏幕上看起来，大小可以完全不一样。问题的关键在于物体表面形状以及他对雷达波的反射。这和夜蛾改变翅膀的角度，以减少超声回波的效果基本上是一样的。

黑鸟侦察机的设计者们完全遵循了这一理念。黑鸟尽管体积庞大，但是当他正面对着雷达的时候，体积却显得非常小巧。此外，机身某些部位的外形，也是经过了精心设计，一切都只为了一个目的，那就是最大限度的降低雷达波的发射。黑鸟的设计者之一，工程师里奇在黑鸟进行模型的雷达探测试验时，遇到了一件非常有趣的事情。模型被放置在距离雷达半里的范围内，当雷达被打开以后，在场的工程师们从雷达的屏幕上没有发现一点踪迹（雷达屏幕），这时候，意外的情况出现了，一只飞鸟落在了模型上，雷达立即就捕捉到飞鸟反射的信号。

上个世纪七十年代末，同样也是在这个理念的指导下，f117隐形飞机诞生了。在雷达探测中，当常规的战斗机如f15遇到雷达波的时候，他庞大的体积会产生强大的雷达反射波，雷达的电磁信号在他的机体上频频回爆，但是f117的菱形机体却可以把雷达波向机身的两侧折射，对于雷达而言，他虽然不能做到完全隐形，但确实相当难发现。F117在海湾战争中第一次投入实战就获得了巨大成功。借助它卓越的隐形能力， f117可以更加从容，精确的实施对目标的轰炸。在海湾战争中，他一共完成了美国空军近四分之三的轰炸任务，但是他却能全身而退，直到战争的最后一刻，美国空军没有损失一架这种战斗机。

我们发现，利用回波定位的原理，人类制造出了雷达，但是他最直接的目的就是为战争服务，说得不好听一点，也就是自相残杀，那么这种技术到底能不能用在民用上呢？科学家根据蝙蝠精确的回声定位机制，已经制造出了一种超声波导盲杖，利用它盲人可以准确的判断四周的障碍物的位置。此外，用于军事上的雷达在现在也已经广泛地进入民用，气象雷达就是其中的一种，而且，最新气象雷达利用的某些原理和蝙蝠回声定位中的一些特殊功能也很接近。

气象雷达是一种用来监测天气的雷达，通过它，我们可以知道降水以及一些灾害天气的范围和强度等气象信息。他也是雷达发明以后第一个用于民用的例子。

采 访：中国气象局 李柏
 

2510 天气雷达的起源于二次世界大战，英国当时把雷达用于军事探测，在探测过程中经常会发现一些不是飞机的目标，后来经过专家发现，这些目标就是一些降水回波，就是天气系统的反射，造成的。从那开始，世界各国的科学家们就致力于天气雷达的研究，发展。

对于一般的气象雷达来说，降水强度以及范围是要获取的主要信息，但是，现在看来，这些信息还远远不够，及时的知道气团和云团的移动的速度对预报也十分重要，他可以让我们根据速度去预测灾害天气到达的准确时间。而传统的气象雷达却做不到这一点。

这是位于天津的渤海湾气象预警中心，2001年安装在这里的气象雷达就增加了这个功能，但是我们可能想不到，探测到物体的移动速度，这个功能在自然界的生物身上早已经实现了。

在蝙蝠捕食的过程中，蝙蝠不但要知道目标的距离和方位，还要知道他的飞行速度。这样他才能不断的修正自己的飞行路线，在空中某个点准确的捕获猎物。在这里，蝙蝠利用了一个人类直到18世纪才发现的一个普遍的自然现象——多普勒效应。

采 访：肖中举
 

就像我们听火车对着我们开过来的时候，火车鸣笛的频率是一个频率，但是在我听来的话，它是逐步在增高的。就有这么一种效应，这就叫多普勒效应。

而对蝙蝠来说，夜蛾不管是靠近还是离开，都会使他听到的回声改变。蝙蝠正是通过这些差异来判断夜蛾的飞行速度，再结合夜蛾的方位和距离，来精确的计算夜蛾的位置，从而完成他的捕食过程。

而用于监测天气的多普勒气象雷达运用的也正是这个原理。利用它，人们可以更为准确、及时地对天气和灾害天气进行预报。

今天，不管是雷达还是反雷达的设备，他们的应用已经不是军事上的专利，在民用飞机的导航上，在对汽车速度的监测中，雷达已经融入了我们的生活。而对于自然界像蝙蝠和夜蛾这些生物的进一步研究，也会使雷达——这种人造设备更加精密和完备。

毫无疑问，跟生物进化相比较，我们人类根据生物发明的所有设备的历史都是很短的，但我们还是经常为人类自身所取得的科技成就感到骄傲，甚至是自满。雷达从出现到现在也不到一百年，而自然界最早的“雷达”在几千万年前就已经出现了，而且它的复杂和精巧的程度是我们任何模拟的设备难以比拟的。直到现在，一些对这种精密系统的最新发现还是能让我们惊叹不已。而科学家们也从未停止过对这种定位机制的探索和研究，从自然界不断的学习，注定是我们人类永远向前的不息动力。