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昆虫的翅膀
昆虫是无脊椎动物中唯一有翅的动物.在地球生命的进化史上,昆虫是最先获得飞行能力的动物,比爬行动物和鸟类获得飞行能力早了至少5千万年.大约在3亿年前,昆虫就作为地球上第一批“飞行家”飞上了天空.飞行使昆虫在觅食、求偶、避敌和扩大分布范围等方面都比陆地动物要技高一筹,并成为昆虫纲繁荣兴旺的基础.
翅膀是昆虫演化过程中适应飞翔的产物.除了基本的飞行功能外,昆虫翅膀的作用其实五花八门,如用来保护虫卵、当作音乐器具、用于伪装、警告对手、吸引异性等等.美丽、鲜艳的翅膀除了实现上述功能外,事实上还隐藏着太多的秘密,翅膀也是昆虫实现全球殖民的关键力量和生存要素.
昆虫翅膀的来源与鸟类不同.鸟类的翅膀是由前肢转变来的,而昆虫的翅膀则是由它的胸部体壁逐渐演化而来的.昆虫中除原始无翅（低等的无翅亚纲）昆虫和后生无翅昆虫之外,一般在中、后胸背板两侧各有一对翅,叫做前翅和后翅.昆虫的翅膀十分灵活,不用时还可以收折在身体背面,一般呈三角形.
化石证据表明,最早的有翅昆虫是在石炭纪晚期出现的.那是距今大约3亿年前,大地上到处都生长着高大茂密的森林,不过树种与现代的树木完全不同,主要是热带的蕨类植物,如木贼、石松和各种木本蕨类.现代的蕨类都是一些矮小的植物,可是在当时遥远的古生代里,蕨类植物却可以长成参天大树,有些甚至可以高达40米.有翅昆虫就在这样的环境里出现了,它们成群地在森林里飞来飞去,种类也很快越来越繁杂.实际上,这些高大的树木正是昆虫获得翅膀的环境条件,因为昆虫只有先上树,适应了树上生活以后,才有产生翅膀的需要和可能.
虽然发现有翅昆虫化石的最早时代是石炭纪晚期,但是根据种种事实推测,有翅昆虫的起源是发生在泥盆纪末期或石炭纪初期.泥盆纪地层中已经有煤层存在,说明当时已经出现了森林.生活在这些森林里的昆虫,首先借助于胸背侧突在树木间滑翔；而后,在滑翔的基础上,自然选择的结果使胸背侧突一代代地逐渐扩展,昆虫的滑翔距离就可以越来越远,最后,胸背侧突终于发展成了能够自由飞翔的翅膀.
翅的产生是昆虫进化史上最为重要的事件.翅的产生使昆虫的胸部构造、肌肉系统以及整个有机体都发生了很大的变化,促使了神经系统的发展,也意味着昆虫行为的复杂化.由于获得了翅膀,使昆虫能够适应更为多种多样的环境,从而打开了更加广阔的生活空间.借助于飞行,昆虫能够在更加广阔的范围内散布、迁徙、求偶、觅食以及躲避敌害.当时,脊椎动物中的两栖类已经登陆,有翅膀的昆虫能够更有效地逃脱两栖类以及蝎子和蜘蛛的捕食.这一切都为昆虫纲日后的繁荣发展奠定了良好的基础.
昆虫的翅膀能够动作协调一致进行十分有效的飞行,是强大的飞行肌和后翅之间小巧的“连锁器”在起作用.昆虫早期一种必需的创新能力就是收起翅膀,如果没有这种能力,飞行将会非常困难和笨拙,就像一架拥有固定机翼的飞机那样.拥有固定的翅膀,蜻蜒就只能在开放的露天空间飞行,而穿越树丛等情形时则非常容易受伤.
昆虫用来飞翔的翅为膜质,翅面上有纵横交错的翅脉,翅脉实际上是翅面在气管部位加厚形成的,它就像骨架一样对翅面起着支撑、加固的作用,还与飞行时翅的扭转运动有关.有的昆虫翅脉细密,如蜻蜓、蜉蝣、草蛉等,也有的翅脉稀少,如蝇类仅有几根脉.
每一类昆虫都各有其独特的翅脉分布型式,叫脉相（或称脉序）.昆虫翅膀的脉序千变万化,昆虫学家往往根据翅膀的纹理和脉序跟踪昆虫的进化和识别昆虫物种.许多脉序特征相似的昆虫物种可能都是由一种古老的有翅昆虫进化而来.
如果你细心地进行观察,可以发现各种昆虫翅膀的质地上也有很多变化.直翅目的昆虫（如蝗虫、螽斯、蟋蟀等）前翅又厚又硬,翅脉仍明显存在,好似皮革质地,叫做革质翅,用来保护后翅,所以又叫复翅；鞘翅目昆虫（如甲虫类）的前翅骨化程度较高,看不到翅脉,形成了鞘翅；半翅目昆虫（如蝽类）的前翅基部又硬又厚,端部又薄又软；鳞翅目昆虫的翅面覆有各种各样的鳞片；毛翅目昆虫的翅面、翅脉上大多数被有很多细毛；缨翅目昆虫的翅在翅缘上有很长的缨状毛；双翅目昆虫（如蝇、蚊等）和雄性蚧壳虫的后翅退化成很小的棍棒状构造,在飞行中起平衡作用,称为平衡棒……可见,昆虫的翅膀对昆虫分类有着十分重要的意义.
昆虫翅膀可以拥有任何颜色、纹理或外观,如金属外观、透明外观或恐怖的白色.
昆虫在飞行时,极迅速而频繁地振动翅膀,人的眼睛是看不清的.不同的昆虫在飞行时振动翅膀的速度并不一样,蜜蜂每秒平均振动翅膀260次左右,胡蜂165—247次,家蝇147—220次.蝶类昆虫振动翅膀的次数最少,斑眼天蛾37—41次,蓝斑棕蝶10次,蝶6次,黄凤蝶5次.振动双翅最频繁的是各种蚊子,毛头摇蚊每秒振翅196—494次,有的甚至多达1000次以上.
值得一提的是,膜翅目昆虫,比如蜻蜓的翅膀,膜质透明,柔软而单薄,全长不过5厘米,面积仅为4.6平方厘米,重量只有0.005克,但它却能以每秒16—40次的速率,挥动它的翅翼,获得飞行的高速度（每小时50多千米）,可谓“飞行之王”.其翅翼的强度、刚度、结构和性能是现代飞机所不及的.在空气动力学中,有一种物理现象叫“颤振”,它是飞机机翼在飞行中产生的一种有害振动.许多新式飞机在试飞过程中,常因出现机翼强烈颤振而折断,造成机毁人亡事故.但是长着薄翅的蜻蜒如何飞起来却如此平稳呢？原来,在它的翅膀前缘的末端有发暗的素斑——翅痣（一块深色的角质加厚区,也称作“翼眼”）,正是这种“翼眼”,能使正在振动的翅翼不受颤振的影响.若是蜻蜓的翅痣被切除,它就荡来荡去再也飞不平稳了.现代机翼前缘末端,也模仿翅痣加厚配重,以消除有害的振动.科学家们煞费心机研制出来的消振装置,早在亿万年前大自然就把它装备在蜻蜓的翅翼上了.
苍蝇有一对发达的前翅,后翅退化成两根槌棒似的楫翅,不但使苍蝇不用跑道直接起飞,而且能够保持航向,起着“振动陀螺仪”的作用,是天然的导航仪,因此又称平衡棒.若将其剪掉,即便拥有发达的前翅,但飞起来还是像“醉汉”那样东碰西撞,无法飞行.原来,苍蝇在飞行时,楫翅以每秒330次的频率不停地振动着,这种振动能产生陀螺效应,使它们在飞行中保持稳定.当飞行偏离“航向”时,楫翅会产生扭转振动,把偏离信号及时传送至脑神经,于是及时得到纠正.
昆虫振翅飞翔,并不因没有螺旋桨而感到不便.科学家对长有四翅的沙漠蝗虫所做的风洞试验表明,它的翅膀所做的优美而复杂的“8”字形飞翔,能够产生惊人的推进频率.因为沙漠蝗虫的神经系统可以控制它的翅膀,能够不断地改变角度,以便和飞行速度、气压最佳地协调起来,这是很有效的自动控制系统,保证了它们的灵巧飞行.
据媒体报道,来自都柏林三一学院的研究人员发现,昆虫的翅膀并非看起来那么脆弱,他们通过对草蜢的翅膀进行研究,发现了一处像船只防水隔间的“裂纹”,在该“裂纹”中发现了一种十分有特色及韧性的静脉网络.
沙漠蝗虫——草蜢可以说是昆虫世界中最有耐力的“飞行员”了.虽然它们的翅膀要比人类的头发薄上数十倍,但可以连续数天不停歇的飞跃沙漠和海洋.很难想象,草蜢连续数天在海洋和沙漠上空飞行,其翅膀要经受多少次强劲风力的“击打”,但它的翅膀却完全可以抵抗得住.这不禁让研究人员对它的翅膀产生非常大的研究兴趣.草蜢的翅膀与它身体部位一样,都是由角质层构成的,而角质层算是世界上第二大普通天然物质.
研究人员为了准确测量草蜢翅膀的韧性,他们在草蜢翅膀的薄膜上弄上一些小小的凹痕,从而来测量在遇到风力时,翅膀是如何“驱动”其上边的“裂纹”而顺利飞翔的.但第一次的实验让科学家感到有些意外,因为他们发现草蜢翅膀上的薄膜与其腿部相比,韧性并不是很强.他们过后在观看实验录像时却发现,草蜢翅膀上的“裂纹”一旦形成交叉脉络时,它们就会有效地被停止扩张.一旦这些“裂纹”停顿下来就会形成很好的屏障,从而会将翅膀的韧性在原有基础上提高50%.
因此,研究人员总结,草蜢翅膀上的静脉网络可以有效的防止其翅膀上的“裂纹”扩张.草蜢翅膀上的静脉相比薄膜更厚一些.因此,静脉越少,翅膀的重量就越轻.无论如何,从实验录像中可见,翅膀上的静脉越少,对翅膀裂纹的防护也就越低.正如船只一样,防水隔板越多,船只越重.但如果隔板太少,只要有一个漏洞,整个船只就会沉没.
但薄膜和静脉的比例究竟多少,才是最完美？研究人员为了寻找这个答案,测量了每只草蜢翅膀上的1000个静脉细胞的形状和大小,并从细节上对草蜢翅膀的特征样式进行了研究.随后,通过断裂力学,总结出了草蜢翅膀上薄膜和静脉完美的匹配空间,即所谓的“临界裂纹长度”.
可以说,草蜢翅膀上的交叉静脉间隔近乎完美,正是因为它们,才使得草蜢翅膀上的裂纹每当达到“临界裂纹长度”时,都能及时停止下来.这是大自然赋予草蜢最好的礼物,让它们翅膀的静脉和薄膜在最佳比例的基础上,拥有最高的韧性和最轻的重量.研究人员表示,他们完全可以运用草蜢翅膀的构成原理,来制作轻而韧性强的人造“静脉”机翼.
每年春夏之交,在北纬25.以南过冬的一种昆虫——褐飞虱将成群结队地向北迁飞,扑向肥沃的水稻田一饱口福.但是,并不是所有的虫子都能共赴这场饕餮盛宴,长翅型的飞,短翅型的不飞.控制这种翅型分化的“分子开关”,第一次由浙江大学农学院张传溪教授课题组清晰地揭示出来.褐飞虱是水稻的超级大敌,张传溪课题组以褐飞虱为模型,自主设计和研究,发现了昆虫长短翅型可塑性发育的分子机制,两个同源性很高的褐飞虱胰岛素受体在长、短翅分化中起着“开关”作用,这项研究为褐飞虱防治提供了理论依据.
（张金平）
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