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出品:科普中國(guó)
作者:郭菲 煙臺(tái)大學(xué)
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
前些年,某汽車(chē)品牌曾采用雞拍攝廣告,以展現(xiàn)自家轎車(chē)有著和雞頭一樣的穩(wěn)定性。在那之后,很多與雞頭這種神奇穩(wěn)定性相關(guān)的短片就不停地涌現(xiàn)于各大視頻網(wǎng)站。從其中可以看出,雞頭穩(wěn)定器的效果,簡(jiǎn)直是“企業(yè)級(jí)”。
無(wú)論是定點(diǎn)、隨行、還是自主運(yùn)動(dòng),都完全不輸最先進(jìn)的人類(lèi)科技,以至于國(guó)外甚至有人專(zhuān)門(mén)為雞開(kāi)發(fā)了成套的頭戴攝像設(shè)備。只可惜現(xiàn)有的技術(shù)還無(wú)法控制雞頭的轉(zhuǎn)向,這也讓“雞云臺(tái)”的搞笑屬性無(wú)限大于科技屬性。
動(dòng)圖:就是不動(dòng)!(視頻來(lái)源:SmarterEveryDay)
有一說(shuō)一,雞頭還真不是一般的“穩(wěn)”。那么問(wèn)題就來(lái)了,雞頭為什么這么穩(wěn)?其他鳥(niǎo)類(lèi)的頭也能這么穩(wěn)嗎?
一、鳥(niǎo)類(lèi)的天賦異稟
雞頭的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一,當(dāng)固定身體位置不動(dòng)時(shí),無(wú)論如何晃動(dòng)它們,頭部總是趨向于固定在空間中的某一點(diǎn)。第二,假如為雞戴上便攜式攝像頭放它們自由行走,就會(huì)發(fā)現(xiàn)拍攝的畫(huà)面相對(duì)穩(wěn)定(當(dāng)然,我們無(wú)法控制雞頭的突然轉(zhuǎn)向)。
雞頭能夠擁有這樣的異能,從身體構(gòu)造角度來(lái)說(shuō),首先要感謝靈活的脖子。鳥(niǎo)類(lèi)的頸椎骨普遍擁有13或14節(jié),遠(yuǎn)超人類(lèi)(7節(jié))在內(nèi)的大部分哺乳類(lèi)動(dòng)物,有些鳥(niǎo)類(lèi)甚至擁有25節(jié)頸椎骨(如天鵝)。這也讓鳥(niǎo)類(lèi)的頭部可以在以最后一節(jié)頸椎為球心,以脖子長(zhǎng)度為半徑的球內(nèi)自由活動(dòng)(當(dāng)然軀干部分除外)。不少鳥(niǎo)類(lèi)的頭部甚至可以旋轉(zhuǎn)接近360°(左右各180°)。
典型的鴿子骨骼 (圖片來(lái)源:wikipedia(左))
不過(guò),靈活的脖子僅僅代表雞頭能夠做到原地鎖定,并沒(méi)有解釋清楚雞為什么會(huì)原地鎖定。其實(shí),雞這種行為本身只是為了盡量看清周?chē)木拔?/strong>,或者說(shuō)是一種為了看清景物而顯露的本能。
詳細(xì)來(lái)說(shuō),雞和絕大部分鳥(niǎo)類(lèi)一樣,眼球體積占頭部體積比例高,視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)達(dá),不僅視力不差,大腦中處理與視覺(jué)有關(guān)信號(hào)的腦區(qū)面積也很大。不過(guò),比較遺憾的是,鳥(niǎo)類(lèi)的眼睛本身活動(dòng)能力非常有限(具體原因之后詳細(xì)討論)。
人類(lèi)的眼睛可以在眼眶內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng),在頭部完全不動(dòng)的情況下,雙眼的最佳視野也可以達(dá)到正面120°角范圍的圓錐面。但鳥(niǎo)類(lèi)的眼睛在眼眶內(nèi)的活動(dòng)范圍則非常受限,所以大部分情況下,鳥(niǎo)類(lèi)想要以最佳視野看清在面前移動(dòng)的物體,只能通過(guò)扭轉(zhuǎn)脖子,而非轉(zhuǎn)動(dòng)眼球。
這里要說(shuō)明的是,所謂最佳視野是指視覺(jué)分辨力最高的一小塊區(qū)域。例如人眼平視前方時(shí)的整體視野可以達(dá)到180°以上,但其中的最佳視野只是視線集中的一小塊區(qū)域(大概40°),在這塊區(qū)域之外,人類(lèi)的視力其實(shí)會(huì)迅速衰減。
鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)范圍的對(duì)比,圖片來(lái)源:作者自制
上圖是角鸮和扇尾沙錐的視覺(jué)范圍對(duì)比,可見(jiàn)猛禽(前者)前向雙眼立體視覺(jué)發(fā)達(dá),后向視覺(jué)薄弱。而普通鳥(niǎo)類(lèi)全向視覺(jué)發(fā)達(dá),但前向雙眼立體視覺(jué)差。
雞的兩只眼睛分別位于頭部?jī)蓚?cè),所以雙眼視覺(jué)非常差。不過(guò)兩側(cè)的眼睛可以各自提供180°的視野,從而讓雞幾乎擁有300°的視力范圍。但它們視野正前方,能夠形成雙眼視覺(jué)的范圍可能還不到5°。除猛禽外的大部分鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)最為敏感的區(qū)域在兩側(cè)眼球正中附近,同時(shí)正前方的雙眼視覺(jué)區(qū)也是鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)相對(duì)好的區(qū)域——簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),鳥(niǎo)類(lèi)可以同時(shí)看清正前方和兩側(cè)正中位置的物體。
二、眼動(dòng)or頭動(dòng)?這是個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題
現(xiàn)在假設(shè)在人類(lèi)的正前方放置一個(gè)靜止的物體,然后要求我們?cè)谛》纫苿?dòng)軀體的同時(shí)盯住這個(gè)靜止物體,我們會(huì)怎么做?當(dāng)然是轉(zhuǎn)動(dòng)眼球從而讓最佳視野不會(huì)因?yàn)樯眢w的移動(dòng)而偏離物體。而當(dāng)我們用雞重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)時(shí),雞為了看清前方的物體,就會(huì)盡量保持自己頭部固定,同時(shí)用靈活的脖子去補(bǔ)償身體的位移。
看清靜止的物體顯然比看清運(yùn)動(dòng)的物體要容易,而運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,有時(shí)候動(dòng)的并非是眼前的物體,而是我們的身體本身。不管是物體動(dòng)還是身體動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅度不大的時(shí)候,人類(lèi)并不需要專(zhuān)門(mén)扭頭或者轉(zhuǎn)身去正視想看的目標(biāo),只要轉(zhuǎn)動(dòng)眼球即可。雞的眼球不怎么能轉(zhuǎn),但是脖子靈活,所以也用不著調(diào)整身體的方位,光讓脖子動(dòng)就行了。
很多人可能會(huì)問(wèn),想要讓雞頭實(shí)現(xiàn)定位,莫非還要在它們面前放一個(gè)固定不動(dòng)的標(biāo)靶讓它們盯著?這倒未必,不見(jiàn)得非得是具體的某個(gè)物體,雞頭擁有的視野本身,就是雞此時(shí)想要看清的畫(huà)面。為了讓這個(gè)畫(huà)面固定不動(dòng)從而看的更清楚,雞就自然而然地動(dòng)用起了靈活的脖子。結(jié)果上來(lái)看,就是頭沒(méi)動(dòng)身子沒(méi)動(dòng),光是脖子在動(dòng)。
三、雞伸脖子走路,其實(shí)是視覺(jué)增強(qiáng)手段
接下來(lái),我們?cè)賮?lái)看看當(dāng)雞步行時(shí),雞頭還能不能那么穩(wěn)。雞頭戴式攝像頭的畫(huà)面顯示,雞頭即便是在走路過(guò)程中拍到的畫(huà)面也相當(dāng)穩(wěn)定,至少是遠(yuǎn)超人類(lèi)無(wú)云臺(tái)情況下手持?jǐn)z像設(shè)備的水平。人類(lèi)兩條腿,雞也兩條腿,大家都是兩腳獸,結(jié)果卻大不同。其實(shí),如果留意過(guò)雞或者鴿子的走路姿勢(shì),你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們并不是一直保持上身和脖子不動(dòng)然后朝前輪流邁步,而是脖子在不斷地伸縮。
這種獨(dú)特的步行姿態(tài),就是雞頭戴式攝像頭在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也能保證畫(huà)面穩(wěn)定的原因,它的背后仍然與雞的視覺(jué)形成機(jī)理密切相關(guān)。動(dòng)物學(xué)家們?cè)诖蠹s五十年前就開(kāi)始研究雞或者鴿子步行姿態(tài)背后的科學(xué)問(wèn)題,他們用幾個(gè)非常巧妙的實(shí)驗(yàn)證明了視覺(jué)與步態(tài)間的密切關(guān)系。例如,科學(xué)家們讓鴿子在步行機(jī)上行走,這個(gè)時(shí)候鴿子視野中的景物其實(shí)并不發(fā)生變化,僅僅是腳下在動(dòng)。
此時(shí)有趣的現(xiàn)象發(fā)生了,鴿子步行時(shí)會(huì)保持身體和脖子的姿態(tài)不動(dòng)。而在另外的實(shí)驗(yàn)中,假如身處眼睛無(wú)法感光的暗室,紅外線攝像機(jī)中步行的雞同樣會(huì)保持脖子不動(dòng)。
之后,隨著人類(lèi)影像科學(xué)的發(fā)展,攝像機(jī)、視頻處理相關(guān)的軟硬件迅速普及,越來(lái)越多的人進(jìn)行了類(lèi)似的研究。人們發(fā)現(xiàn),雞和鴿子走路時(shí),最先探到前方的是脖子,脖子伸長(zhǎng)到身體前方,頭部相對(duì)固定后,兩腳再分別探出一步,在兩只腳邁步時(shí),頭部幾乎靜止。之后,頭部再探向前方,繼而重復(fù)。
頭部前探時(shí),眼睛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這并不是理想的視覺(jué)條件,因此頭部快速前探,在整個(gè)運(yùn)動(dòng)期間中占據(jù)的比例不大。而頭部前探完成后,等于是在前面等著身體,并且在身體跟上的同時(shí)能夠在脖子的調(diào)節(jié)下保持相對(duì)靜止,這個(gè)過(guò)程視覺(jué)穩(wěn)定,在整個(gè)運(yùn)動(dòng)期間占據(jù)的時(shí)間更長(zhǎng)。
鴿子步態(tài)慢鏡頭動(dòng)圖 (圖片來(lái)源:作者拍攝)
以上的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,雞或者鴿子之所以采取脖子不斷前后運(yùn)動(dòng)的步行姿態(tài),就是為了更好地看清周?chē)木拔?,或者說(shuō)是為了讓看清周?chē)拔锏臅r(shí)間盡量長(zhǎng),看不清的時(shí)間盡量短。從動(dòng)物行為學(xué)的角度來(lái)說(shuō),這種行為的深層原因,是在消耗能量最低的前提下,盡量保證時(shí)間足夠長(zhǎng)的最佳視野。一旦視野已經(jīng)很好(比如步行機(jī))或者什么也看不到(比如暗室),鴿子和雞就沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)采取這樣的步態(tài)了。
四、其他鳥(niǎo)類(lèi)也能像雞一樣變身云臺(tái)?
那么問(wèn)題又來(lái)了,鴿子和雞之外的鳥(niǎo)類(lèi),也會(huì)有一樣的行為嗎?是,也不是。頭部靜止時(shí)利用脖子作為云臺(tái)補(bǔ)償身體的動(dòng)作是鳥(niǎo)類(lèi)共通的行為。但鴿子和雞的步態(tài)則并非所有鳥(niǎo)類(lèi)都會(huì)采取。其背后的原因是非常深邃的科學(xué)問(wèn)題,我們僅僅做一些定性的說(shuō)明。
多種多樣的鳥(niǎo)類(lèi) (圖片來(lái)源:維基百科)
先來(lái)說(shuō)脖子云臺(tái)的問(wèn)題,實(shí)際上不光是雞,所有鳥(niǎo)類(lèi)都會(huì)或多或少表現(xiàn)出這樣的行為。例如風(fēng)中樹(shù)枝上站立的翠鳥(niǎo),雖然樹(shù)枝不?;蝿?dòng),但翠鳥(niǎo)的頭卻巋然不動(dòng)。
從進(jìn)化的角度,應(yīng)該如何理解鳥(niǎo)類(lèi)的這一習(xí)性?如前所述,靈活的脖子是鳥(niǎo)類(lèi)們的天賦,而并不靈活的眼睛又是鳥(niǎo)類(lèi)的缺陷。為什么鳥(niǎo)類(lèi)的眼睛就沒(méi)有進(jìn)化地那么靈活呢?鳥(niǎo)類(lèi)天生是適應(yīng)于飛翔的群體,飛翔要求盡可能輕的體重和盡可能流線型的身體。因此,一個(gè)像河馬一樣比例的巨大頭顱顯然不符合飛翔的動(dòng)力學(xué)要求。
同時(shí),飛翔需要不差的視力,所以鳥(niǎo)類(lèi)的視覺(jué)都相對(duì)發(fā)達(dá),眼睛占據(jù)頭部的空間不小。很多視力優(yōu)秀的其它物種,都擁有精準(zhǔn)而靈活的眼球,例如可以兩只眼睛分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的變色龍。但這種高配大眼必然需要大量的眼球運(yùn)動(dòng)肌肉以及足夠的空間布局進(jìn)行支撐,所以變色龍的眼球?qū)嶋H上是突出于頭部表面的。但對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)而言,且不說(shuō)較小的頭部無(wú)處安放這樣的豪華配置,突出的眼眶和眼球也會(huì)在飛行過(guò)程中形成阻力。
變色龍的雙眼各自獨(dú)立,可以自由轉(zhuǎn)向不同視角
圖片來(lái)源:維基百科
此外,鳥(niǎo)類(lèi)還擁有非常發(fā)達(dá)的鞏膜環(huán),這是一組圍繞在眼周的硬質(zhì)結(jié)構(gòu),它們像鎧甲一樣保護(hù)著眼球。鳥(niǎo)類(lèi)在飛行過(guò)程中受到風(fēng)壓影響,眼球會(huì)有一定的受壓變形,而鞏膜環(huán)的存在可以使鳥(niǎo)類(lèi)眼球維持原本的形狀,從而更好地確保飛行中的視力。不過(guò),這副鎧甲的存在也進(jìn)一步降低了鳥(niǎo)類(lèi)眼球的活動(dòng)靈活性。
幾種猛禽的頭骨和鞏膜環(huán)展示 (圖片來(lái)源:作者拍攝)
因此鳥(niǎo)類(lèi)的眼睛雖發(fā)達(dá),但集成度和特化度太高,導(dǎo)致必須在某些方面減配。于是,鳥(niǎo)類(lèi)的脖子便越來(lái)越靈活,以此抵消眼球本身不善運(yùn)動(dòng)的損失。
白頸麥雞的瞬膜(鳥(niǎo)類(lèi)眼睛為了飛翔進(jìn)行的另一種適應(yīng)性進(jìn)化)
圖片來(lái)源:維基百科
五、鳥(niǎo)類(lèi)的步態(tài)復(fù)雜多變,但背后道理很簡(jiǎn)單
至于鳥(niǎo)類(lèi)的步態(tài)問(wèn)題,我們也可以從進(jìn)化中去尋找答案。現(xiàn)實(shí)中的鳥(niǎo)類(lèi),步態(tài)呈現(xiàn)多樣化。除了鴿子和雞的前后伸頭,小型鳥(niǎo)類(lèi)經(jīng)常采用雙腳跳,而鴨子則采用兩腳輪流拍地左右搖晃的姿態(tài)……??催^(guò)了對(duì)鴿子和雞的步態(tài)分析,很多人可能會(huì)問(wèn),難道別的鳥(niǎo)類(lèi)就不需要讓視覺(jué)清晰的時(shí)間盡可能長(zhǎng)嗎?答案是當(dāng)然需要,但必須注意鳥(niǎo)類(lèi)的體型和習(xí)性千差萬(wàn)別,不能一概而論。
比如體型輕巧的小型鳥(niǎo)類(lèi),雖然采用跳躍式的走路方式會(huì)讓騰空過(guò)程中眼睛無(wú)法清晰看到周?chē)矬w。但它們體態(tài)輕盈,跳躍的方式迅捷而省力,需要進(jìn)行觀察時(shí)駐足觀察,確定目標(biāo)后即可迅速上前,最后反而很有效率。雞和鴿子經(jīng)常在地面覓食,本身又受體型限制沒(méi)法像小鳥(niǎo)一樣進(jìn)行“閃現(xiàn)”,所以不如干脆邊走邊看,以便隨時(shí)發(fā)現(xiàn)食物。至于野鴨,本身就是水禽,路上行走覓食不是剛需,所以走路姿勢(shì)比較潦草,兩只腳來(lái)回倒騰能快點(diǎn)進(jìn)水就行。
野鴨 (圖片來(lái)源:維基百科)
鶴一類(lèi)的涉禽,雖然也是在有水的地方生活覓食,但它們?yōu)榱四茏畲笮实赜^察周?chē)闆r,覓食時(shí)的走路姿勢(shì)與雞和鴿子是一致的。紅嘴鷗在正常狀態(tài)下步行時(shí),僅僅兩腳并用,并不會(huì)有額外的脖子前后動(dòng)作。但當(dāng)需要尋找食物時(shí),同樣會(huì)前探脖子。此外,一些需要潛入水中捕魚(yú)的鳥(niǎo)類(lèi),甚至在水中都會(huì)采用頭部前探再身體跟上的游泳姿勢(shì),其用意仍然是盡可能長(zhǎng)時(shí)間地看清周?chē)h(huán)境。
夏季(左)和冬季(右)的成年紅嘴鷗
圖片來(lái)源:維基百科《紅嘴鷗》條目
當(dāng)然,鳥(niǎo)類(lèi)采用什么姿態(tài)走路,不光與習(xí)性、覓食方式、體型有關(guān),還要考慮維持平衡感等因素,并不是一個(gè)可以簡(jiǎn)單歸納的問(wèn)題。
鳥(niǎo)類(lèi)選擇了適合自己的進(jìn)化道路,并最終成功地占領(lǐng)了地球的天空。雞頭的穩(wěn)定性與鳥(niǎo)類(lèi)的步態(tài),背后都有著進(jìn)化的影子。我們?cè)诮窈笥龅进B(niǎo)類(lèi)的時(shí)候,不妨留心觀察它們的步伐,再結(jié)合其習(xí)性與體型去分析采用這種步伐的原因,細(xì)細(xì)一想,這其中蘊(yùn)含著無(wú)限樂(lè)趣呢!
參考文獻(xiàn):
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/166289725
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http://www2.tbb.t-com.ne.jp/mark/siya.html
3.犬や鳥(niǎo)は人間と同じ見(jiàn)え方をしてるのかな? ?その1「視野」?
https://ist-ud.iseto.co.jp/?p=1385
4.橫向きながら睨みきかす ニワトリの不思議な視覚
https://style.nikkei.com/article/DGXNASDG06030_W3A101C1000000
5.鳥(niǎo)には世界がどう見(jiàn)えている? 人間にはない驚きの眼の機(jī)能
https://logmi.jp/business/articles/157552
6.ハトはなぜ首を振りながら歩くのか?
https://epinesis.net/archives/69560457.html歡迎掃碼關(guān)注深i科普!
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