Исаак Ньютон никогда бы не открыл законы движения, если бы изучал только кошек.
Предположим, вы держите кошку животом вверх и сбрасываете ее из окна второго этажа. Если кошка - это просто механическая система, которая подчиняется законам движения материи Ньютона, она должна приземлиться на спину. (Хорошо, есть некоторые технические нюансы — например, это следует делать в вакууме, но пока не обращайте на это внимания.) Вместо этого большинство кошек обычно избегают травм, скручиваясь по пути вниз, чтобы приземлиться на лапы.
Большинство людей не озадачены этим трюком — все видели видео, свидетельствующие об акробатическом мастерстве кошек. Но более века ученые задавались вопросом о физике того, как кошки это делают. Очевидно, что математическая теорема, анализирующая падающую кошку как механическую систему, не работает для живых кошек, как указывает нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек в недавней статье.
“Эта теорема не имеет отношения к реальным биологическим кошкам”, - пишет Вильчек, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. Они не являются замкнутыми механическими системами и могут “потреблять накопленную энергию ... усиливая механическое движение”.
Тем не менее, законы физики применимы к кошкам, как и к любому другому виду животных, от насекомых до слонов. Биология не избегает физики; она охватывает ее. От трения на микроскопических масштабах до динамики жидкости в воде и воздухе, животные используют физические законы, чтобы бегать, плавать или летать. Любой другой аспект поведения животных, от дыхания до строительства убежищ, так или иначе зависит от ограничений, налагаемых физикой, и возможностей, разрешаемых ею.
“Живые организмы - это ... системы, действия которых ограничены физикой в различных масштабах длины и времени”, - пишут Дженнифер Райзер и соавторы в текущем выпуске Ежегодного обзора физики конденсированных сред.
Хотя область физики поведения животных все еще находится в зачаточном состоянии, был достигнут существенный прогресс в объяснении индивидуального поведения, а также того, как это поведение формируется посредством взаимодействия с другими особями и окружающей средой. Помимо получения новых сведений о том, как животные выполняют свой разнообразный репертуар навыков, такие исследования также могут привести к новым знаниям в области физики, полученным путем тщательного изучения способностей животных, которые ученые пока не понимают.
Животные движении
Физика находит своё применение в мире животных, помогая им передвигаться в пространстве. На самом маленьком уровне силы притяжения между атомами позволяют гекконам и некоторым насекомым взбираться по стенам и даже ходить по потолку.
В более крупном масштабе текстуры и структуры обеспечивают сцепление при выполнении различных биологических функций. Например, в птичьих перьях крошечные крючки и зазубрины действуют подобно липучкам, удерживая перья в нужном положении и увеличивая подъёмную силу во время полёта, как сообщают Райзер и его коллеги.
Биологические текстуры также способствуют движению, уменьшая трение между частями тела животных и поверхностями. Чешуя калифорнийских королевских змей имеет текстуру, которая позволяет им быстро скользить вперёд, но увеличивает трение, замедляя движение назад или вбок. Современные исследования показывают, что некоторые виды змей, по-видимому, развили особые текстуры, которые уменьшают трение в направлении движения.
Мелкомасштабные структуры также важны для животных при взаимодействии с водой. У многих животных микроструктуры делают их «супергидрофобными» — способными блокировать проникновение воды. «Во влажном климате способность выделять капли воды может быть важна для таких животных, как летающие птицы и насекомые, где вес и устойчивость имеют решающее значение», — отмечают Райзер из Университета Эмори и его соавторы Шантал Нгуен, Орит Пелег и Кэлвин Рииска.
Влагозащитные поверхности помогают животным содержать свою кожу в чистоте. Механизм самоочищения может быть важен для защиты от кожных паразитов и других инфекций, как объясняют авторы Ежегодного обзора. В некоторых случаях необходимо удалять посторонние материалы с поверхности животного, чтобы сохранить её свойства, улучшающие маскировку.
На самом деле, физика взаимодействия света с поверхностью животного имеет отношение ко многим другим формам поведения. Яркая окраска и переливы у птиц, бабочек и некоторых насекомых зависят от сочетания слоёв с различными микроструктурами. Эти цвета способствуют ухаживанию и могут влиять на способность избегать хищников.
В более крупном масштабе физика по-прежнему лежит в основе даже самых простых движений животных, требующих сложной координации электрических и химических сигналов внутри тела и между телом и мозгом. Для успешного движения внутренняя физика должна соответствовать физическим свойствам окружающей среды. Например, движение в жидкости регулируется не только телом, но и свойствами жидкости.
В воде плавающие животные используют разные стратегии передвижения в зависимости от различных факторов, включая форму своего тела. Рыбы с тонким телом в основном продвигаются за счёт движения тела и хвоста из стороны в сторону. Рыбы других форм тела генерируют движение, шевеля плавниками.
Физические методы для описания этих стратегий не могут легко учесть такие факторы, как турбулентность и водовороты. Расчёт ожидаемого поведения в таких ситуациях может превысить доступные вычислительные мощности. Поэтому учёные обратились к реальным экспериментам. Один из таких экспериментов дал ключ к разгадке особой способности форели: вода, протекающая мимо цилиндра, создавала водоворот, который позволял даже мёртвой форели плыть против течения.
Эволюция животных
Животные в процессе эволюции приобрели навыки передвижения, которые идеально подходят для их среды обитания. Им не нужно руководство по эксплуатации, чтобы использовать эти навыки. Однако изменение окружающей среды может потребовать от животных более сложных знаний о том, как защитить себя.
От муравьёв и ос до барсуков и бобров — все эти животные научились строить гнёзда, укрытия и другие сооружения, которые помогают им защититься от опасностей окружающей среды.
Птицы строят свои гнёзда из палочек, листьев, грязи и травы, создавая конструкцию, которая должна быть достаточно стабильной и прочной. Исследования показали, что гибкие палочки обеспечивают лучшую устойчивость, чем жёсткие прутья. Физические эксперименты доказали, что изгиб более гибких материалов создаёт силы трения, которые помогают удерживать гнездо вместе.
Райзер и его коллеги предполагают, что изучение того, как птицы собирают свои гнёзда, может помочь учёным разработать новые материалы для различных целей.
Животные также должны учитывать физические законы при строительстве своих жилищ. Например, без достаточного воздухообмена животные могут задохнуться. Луговые собачки строят обширные норы с множеством отверстий, которые должны отличаться по высоте, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию. Полевые исследования показывают, что луговые собачки сами додумались до этого, как и кошки, которые извиваются и меняют форму тела при падении.
У животных есть много других трюков, которые физики пока не могут полностью объяснить. Поэтому область физики поведения животных так плодородна.
Райзер и его коллеги пишут: «Дальнейшие исследования многих аспектов поведения животных с точки зрения физики позволят нам помочь в открытии новых физических законов поведения, которые были открыты природой, но которые нам ещё предстоит раскрыть или полностью понять».
Эта статья была опубликована в журнале Knowable, который выпускает ежегодные обзоры. Подпишитесь на их новостную рассылку, чтобы быть в курсе последних научных открытий.
