Czy zwierzęta korzystają z fizyki? Policzmy sposoby

Izaak Newton nie odkryłby praw ruchu, gdyby zajmował się wyłącznie kotami.

Załóżmy, że nosisz kota na brzuchu, a następnie upuszczasz go z okna na drugim piętrze. Gdyby kot był jedynie systemem mechanicznym przestrzegającym zasad Newtona dotyczących materii w ruchu, powinien wylądować na grzbiecie. (OK, jest kilka szczegółów technicznych – na przykład trzeba to zrobić w próżni, ale na razie to zignoruj.) Zamiast tego większość kotów zazwyczaj unika obrażeń, skręcając się w drodze w dół i lądując na nogach.

Większość ludzi nie jest zaskoczona tą sztuczką – każdy widział filmy potwierdzające akrobatyczne zdolności kotów. Jednak od ponad wieku naukowcy zastanawiają się nad fizyką stojącą za tym, jak koty to robią. Oczywiście teoria matematyczna, która analizuje upadek kota jako układ mechaniczny, nie może być poprawna. Porażka dla żywych kotówJak zauważa w niedawnym artykule laureat Nagrody Nobla Frank Wilszek.

„Ta teoria nie ma zastosowania do prawdziwych biologicznych kotów” – pisze Wilczek, fizyk teoretyczny z MIT. Nie są to zamknięte układy mechaniczne i mogą „zużywać zmagazynowaną energię… i umożliwiać ruch mechaniczny”.

Ale prawa fizyki dotyczą kotów – a także każdego innego gatunku zwierząt, od owadów po słonie. Tak naprawdę biologia nie omija fizyki; Raczej ją obejmuje. Od tarcia w mikroskopijnych skalach po dynamikę płynów w wodzie i powietrzu – zwierzęta wykorzystują prawa fizyczne do biegania, pływania i latania. Każdy inny aspekt zachowania zwierząt, od oddychania po budowanie schronień, zależy w ten czy inny sposób od ograniczeń narzuconych przez fizykę i możliwości, jakie ona stwarza.

„Organizmy to… systemy, których działanie jest ograniczone przez fizykę w wielu skalach długości i czasie” – piszą Jennifer Reeser i jej współpracownicy w bieżącym numerze czasopisma Coroczny przegląd fizyki materii skondensowanej.

Chociaż fizyka zachowań zwierząt jest wciąż w powijakach, poczyniono znaczne postępy w wyjaśnianiu indywidualnych zachowań oraz tego, jak te zachowania są kształtowane przez interakcje z innymi jednostkami i środowiskiem. Oprócz odkrycia więcej na temat tego, w jaki sposób zwierzęta wykorzystują różnorodne umiejętności, badania takie mogą również zaowocować nową wiedzą fizyczną zdobytą poprzez analizę zdolności zwierząt, której naukowcy jeszcze nie rozumieją.

Stworzenia w ruchu

Fizyka zwierząt w ruchu dotyczy szerokiego zakresu skal przestrzennych. Na najmniejszym końcu spektrum siły przyciągania między pobliskimi atomami ułatwiają gekonom i niektórym owadom wspinanie się po ścianach, a nawet chodzenie po sufitach. W nieco większej skali tekstury i struktury adhezyjne zapewniają inną gimnastykę biologiczną. Na przykład w ptasich piórach małe haczyki i kolce działają jak rzepy, utrzymując pióra w odpowiedniej pozycji, co zwiększa siłę nośną podczas lotu – podają Reiser i jego współpracownicy.

Tekstury biologiczne pomagają również w poruszaniu się, ułatwiając tarcie między częściami zwierząt a powierzchniami. Łuski kalifornijskich węży królewskich mają teksturę, która pozwala na szybki poślizg do przodu, ale zwiększone tarcie opóźnia ruch do tyłu lub na boki. Ostatnie badania sugerują, że niektóre węże poruszające się na boki najwyraźniej wyewoluowały odmienną teksturę, która zmniejsza tarcie w kierunku ruchu.

Małe konstrukcje odgrywają również ważną rolę w interakcji zwierząt z wodą. W przypadku wielu zwierząt maleńkie struktury sprawiają, że ciało jest „superhydrofobowe”, to znaczy jest w stanie zapobiec wnikaniu wody. „Zrzucanie kropelek wody w wilgotnym klimacie może być konieczne w przypadku zwierząt, takich jak ptaki i owady latające, gdzie waga i stabilność mają kluczowe znaczenie” – wskazują Risser z Emory University i współautorzy Chantal Nguyen, Orit Peleg i Calvin Riska.

Powierzchnie zatrzymujące wodę pomagają również zwierzętom utrzymać skórę w czystości. „Ten mechanizm samooczyszczania może być ważny w ochronie zwierzęcia przed zagrożeniami, takimi jak pasożyty przenoszone przez skórę i inne choroby zakaźne” – wyjaśniają autorzy rocznego przeglądu. W niektórych przypadkach konieczne może być usunięcie ciał obcych z powierzchni zwierzęcia, aby zachować właściwości powierzchni poprawiające kamuflaż.