科學人雜誌
生物力學

天馬行空也有科學根據

2021-06-01 哈比(Michael B. Habib)繪圖/惠特勒奇(Terryl Whitlatch)
古生物學家和畫家依據生物力學讓飛馬、天使與龍躍然紙上。


形形色色的奇幻生物廣泛見於世界各地不同文化的神話與傳說,有的擅長走壁爬行、游水遁地,許多更具備飛天神技。身為研究鳥類和翼龍化石的古生物學家(哈比)和為書籍與電影設計生物的畫家(惠特勒奇),我們對飛行的生物力學格外感興趣,欲以真實可信的方式描繪飛行怪物。最近我們共同創作了《飛行怪物:描繪會飛的脊椎動物》(Flying Monsters: Illustrating Flying Vertebrates),內容涵蓋現實和奇幻動物。本文我們挑選書中的三種奇幻生物,解釋相關的科學根據。


重塑經典:飛馬

飛馬在神話故事中很常見。最著名的或許是希臘神話裡長著翅膀的天馬佩加索斯(Pegasus),牠是英雄柏修斯(Perseus)砍下蛇髮女妖梅杜莎(Medusa)的頭時,從她的血裡飛躍出來的。駿鷹(hippogriff)的名氣則沒那麼響亮,這種半馬半禽的捕食者,能夠像馬一樣奔馳,也能如老鷹般翱翔。


我們把經典的駿鷹重新設想為馬和翼龍的混種,這樣的組合才足以讓馬這麼大的動物飛起來。巨大的風神翼龍(Quetzalcoatlus)、北風冰龍(Cryodrakon)和哈特茲哥翼龍(Hatzegopteryx)等翼龍之所以又大又能飛,有幾個關鍵:牠們的骨骼強韌又輕盈,翅膀由肌肉和皮膚形成的膜所構成,並非相對較具份量的羽毛,而且牠們可能同時用摺疊起來的翅膀和後肢,把自己推離地面送入空中—這比只用後肢的跳躍更強而有力。我們的駿鷹(或許該稱為駿翼龍)就像這些翼龍一樣,可以把翅膀做為起飛用的跳躍肢。


這種起飛方式適用於具四足和六足的飛馬(四足是指前肢特化為翅膀,六足則是以其中一對肢特化為翅膀)。在後者,四條腿助跑同時,翅膀也觸地後推。這兩種構造有不同的考量:六足動物要能飛,肩胛骨會交疊,而四足動物的肩部則需完全重新設計,因為馬的前腳無法向外側舉起,遑論高過背部。


「一翅兩用」,讓翅膀與地面接觸起飛,是馬這種體型的奇幻生物升空最實際的方法。如果是脊椎動物典型的生理和骨骼強度,加上形似翼龍的四肢型態,仍能夠飛行的最大體重約莫是360公斤。倘若飛馬的骨骼裡像翼龍(以及許多現生鳥類)一樣有許多氣腔,則可能體重低於360公斤,但仍撐得起相當於馬的體型。另一個可能性是,加入比大型翼龍更大的肌肉或更長的肢體以提供跳躍,亦可放寬體型限制。有了恰當的解剖構造,540公斤的飛馬一樣能飛上天。


我們設計的駿鷹翅膀上揚的動力來自背部肌肉,胸部肌肉則控制翅膀下拍,如同蝙蝠與早已滅絕的翼龍。相對地,鳥類的這兩組肌肉都位於胸部。採用蝙蝠或翼龍般的飛行肌設計,胸部可維持在合理的大小。如果像鳥類,胸部會大到顯得笨重。對於六足動物,仿照蝙蝠或翼龍的條件也比較實際,因為層層疊疊的肩胛骨無法容下如鳥一般的肌序。




描繪超自然形象:《希伯來聖經》裡的天使

「天使」在猶太基督教故事、藝術和傳統中佔有重要地位,然而現今宗教典籍卻鮮少描述其具體形貌。當代詮釋常把這些天堂使者描繪為有翅膀的人類,《聖經》裡為數不多的文字描述暗示更複雜的樣貌:其中大多訴說天使形象恐怖到難以直視,據信遇到祂們的人無一不感到恐懼震驚。《聖經》中的《啟示錄》和《以西結書》有最多具體細節。兩者似乎描述同樣的四名天使,有時稱「四活物」(Four Living Creatures)。


兩部文本對天使的描述有若干共通點,亦有諸多歧異之處。《啟示錄》形容這些力量強大的天使像是獅子、牛、人和鷹,而根據《以西結書》,祂們只有臉部像這些生物。《啟示錄》的天使有三對翅膀;《以西結書》的有兩對,上面佈滿眼睛,飛行方式為「盤旋」,飛旋在上帝的寶座四周,周身散佈許多雷電和火光。


有一項著名的早期詮釋,因三世紀時的主教及基督教殉教者聖維多利諾(Victorinus of Pettau)而廣為人知:他把四活物等同於四位福音書作者(Four Evangelists),獅子代表馬可,牛代表路加,鷹代表約翰,人則是馬太。


我們在《飛行怪物》這本書裡描繪了馬太,大多根據《以西結書》的敘述,不過比照《啟示錄》一樣只有一張臉(《以西結書》中的天使有四張臉)。然後我們從現實世界的化石記錄中尋找靈感。體型參考了小盜龍(Microraptor)這種四翼的飛行恐龍。最近的研究認為,小盜龍和近緣物種可能透過拍動前翅來飛行,而後翅則維持在身體下方,幫助穩定和機動性。因此,我們設計的馬太有著能拍動、具推進力的前翅,與維持垂直的後翅。


至於天使的整體比例,我們則參考已知最大的飛行動物:巨大的神龍翼龍(azhdarchid pterosaur)。這些飛行的爬行類包括風神翼龍和北風冰龍,兩者體重都可達到數十甚至上百公斤,翼展幅度將近十公尺。這些巨型的翼龍是古怪的「頭重腳輕」動物,牠們擁有大大的頭、頸、胸和前肢。我們筆下描繪的馬太有著像人(但明顯非人)的頭部,頭接在北風冰龍般的巨大頸子上;為了容納大型的飛行肌而有著膨大的胸部,往前拍動的翅讓升力中心與重心對齊。如此造物既雄偉又駭人,同時亦符合生物力學。




勾勒無翼飛行:亞洲的龍

亞洲的龍總以無翼飛行的姿態出現在神話故事中,特別是中國、越南和日本神話中的龍,要以解剖構造上真實可信的方式呈現這種生物,頗具挑戰性。牠們狀似蛇,在傳說中又和蛇無關,反而具有和哺乳類與魚類共通的特徵,尤其是鯉魚,伴隨河川、雨、閃電和風暴現身。


為從現實世界找到適當的範例,我們尋找無翅飛行的現生動物。金花蛇屬(Chrysopelea)用不著任何附肢便可飛越好幾公尺。在空中滑翔時,牠們以S形彎曲扭動(如中國舞龍的概念),就像中國與日本傳統繪畫中龍的彎曲飛翔路徑。該屬的幾種蛇只分佈在東南亞,故參考金花蛇屬是恰當的地理挪用。如同金花蛇屬的蛇,我們藉由把亞洲龍的身體變扁、在半空中形成S曲線以達成解剖構造上合理的主要飛行表面,並沿身體和四肢加入額外的「帶狀翼膜」,擴大飛行表面,使龍的大體型合乎常理......




更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人