仿生蝙蝠(一):具特殊功能的暗夜飛行者

 
2017/07/26 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組     237
 

蝙蝠是夜行性動物,也是唯一能飛行的哺乳動物,具有薄而堅韌的皮質翼膜連結四足和尾巴,指骨特化伸長,前足拇指和後足各趾均有可抓握的爪,胸骨類似鳥的龍骨突有利胸肌運動,擁有超強聽力,可在暗夜快速飛行、並急速轉彎,翅膀除飛行外,有捍衛、隱藏、求偶展示、游泳、或圍捕獵物等60種功能。牠們屬於脊索動物門(Chordata)哺乳綱(Mammalia)翼手目(Chiroptera),分布幾乎遍及全世界,通常群聚生活,數量可高達百萬隻,主要棲息於洞穴、樹洞、或森林。

 

大蝙蝠亞目(Megachiroptera)稱為食果蝠,體型較大,多取食水果;小蝙蝠亞目(Microchiroptera)稱為食蟲蝠,體型較小,除了吃昆蟲外,還有植食性、肉食性和吸血性等多樣化食性。世界上最大的蝙蝠是鬃毛利齒狐蝠(Acerodon jubatus),又名菲律賓果蝠,翼展1.5-1.7公尺;體型最小的是凹臉蝠(Craseonycteris thonglongyai),體長只有3.3公分。

 

蝙蝠是生態系的重要成員,食果蝠能幫助開花植物授粉和傳播種子,例如墨西哥的龍舌蘭花,僅靠吸食花蜜的南方長鼻蝠(Leptonycteris curasoae)授粉,開花模式與蝙蝠的遷移模式形成互相依存關係;非洲的猴麵包樹(Adansonia digitat)幾乎完全依賴取食果蝠授粉,若沒有蝙蝠,這些植物可能無法繁殖而滅絕。部分蝙蝠和植物形成共同演化特徵,例如花蜜長舌蝠(Anoura fistulata)的口鼻細長,下顎縮小,舌頭長達身體的150%、且具良好延展性,以便伸入細長的花朵,吸蜜時會沾染攜帶花粉,成為長管花(Centropogon nigricans)的唯一授粉者,兩者形成互利共生關係。此外,棲息於洞穴的蝙蝠排泄物,提供許多無脊椎動物發育所需的有機質,也是富含磷的上等肥料,更能加工成稱為夜明砂的中藥材。

 

蝙蝠的新陳代謝非常快,因為飛行消耗較多體力,會產生如活性氧、DNA複製錯誤等,容易造成身體損傷,但科學家發現牠們具有許多能快速有效修復的基因,不僅能延長壽命,並可抑制許多致命病毒,免疫系統不斷運作以防止感染,即使同時攜帶多達100種病原菌卻不會致病,包括狂犬病毒、伊波拉病毒、SARS的原型病毒、亨德拉(Hendra)病毒、立百(Nipah)病毒、MERS(中東呼吸綜合症)的原型病毒等。因此研究蝙蝠的基因組與免疫系統,或可提供人類研發抑制細胞和組織衰退損壞、抗衰老、和治療疾病的方法。

 

大多數蝙蝠靠聽力導航和覓食,藉由回聲判斷目標的種類,能從口鼻發出14,000-100,000 赫茲(Hz)的超音波,接觸到物體或障礙物反射回來,用耳朵接收後將訊息傳到大腦,測知環境和獵物位置,由回傳的時間判斷行進路線中物體的大小和位置等,愈接近物體或獵物、準確性愈高。部分蝙蝠例如中央狐蝠(Pteropus alecto)會使用視覺和氣味來尋找水果;但對食蟲蝠而言,聽覺和嗅覺比視覺更重要。

 

當數萬隻蝙蝠群聚生活在同一洞穴時,每隻蝙蝠能發出聲音溝通協調,並透過同類的聲調變化判斷情緒和狀態,並擁有固定頻率區辨自己的聲音不被擾亂,這種抗干擾能力可從充滿噪音的回聲中檢測出特定聲音,快速分析和辨別,以區別反射音波的物體是獵物還是石塊。蝙蝠具有的回聲定位和抗干擾能力等特殊功能,早已成為人類研究和仿生利用的重要對象。

 

以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)約維爾(Yossi Yovel)博士曾於2016年12月在《科學報告》(Scientific Reports)期刊發表一篇研究埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)語言的成果,他發現幼蝠是靠後天學習獲得語言能力,在無聲環境成長會影響其發音學習,牠們的語言是由多音節序列組成,音節間具短暫間隙,有類似語法的規律,用來吵架、爭奪食物、求偶、或爭取活動空間等,與不同的蝙蝠溝通時發出的聲音略有差異。

 

以色列魏茨曼科學研究院(Weizmann Institute of Science, Israel)烏蘭諾夫斯基(Nachum Ulanovsky)教授領導的團隊則於2015年1月在《自然》(Nature)期刊發表埃及果蝠腦部3D地圖的研究成果,他們專為蝙蝠設計一個頭戴裝置,透過電腦記錄其頭部在三維空間的運動,及腦部海馬區前下托的電活動,結果得知蝙蝠腦中具有甜甜圈形的環形座標系統,可自由偵測360度方位和傾斜角以定位導航,腦部細胞特化為「純方位角細胞」、「純傾斜角細胞」、及同時編碼方位角和傾斜角的「方位角×傾斜角細胞」三類型,因此能即時測知活動空間的3D地圖,快速準確飛抵目標。未來可仿生這種神經機制開發導航系統以預防空難。

 

(以上新聞編譯自2016年12月22日發行之Scientific Reports期刊等)

 

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • 吳中信(2005)蝙蝠的回聲定位,科學教育月刊,(276): 11-15, 27。
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Muchhala, N. and J. D. Thomson. 2009. Going to great lengths: selection for long corolla tubes in an extremely specialized bat-flower mutualism. Proceedings of the Royal Society B, 276(1665): 2147-2152.
    • Prat, Y., M. Taub, Y. Yovel. 2015. Vocal learning in a social mammal: Demonstrated by isolation and playback experiments in bats. Science Advances, 1(2): e1500019-1-5.
     
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