動物世界中的物理學

從貓與牛頓運動定律說起

如果牛頓只研究貓的行為的話，那么他或許永遠也發(fā)現(xiàn)不了運動定律。讓我們假設一下這樣的場景：你抱著一只貓，將它腹部朝上從二樓窗戶扔下去。如果這只貓是一個機械系統(tǒng)，那么它在向下墜落的過程中，必然會遵循牛頓運動定律，背部著地。但實際上，大多數(shù)貓在下墜的過程中，通常會通過扭轉身體使四肢朝下來避免身體受傷。

一個多世紀以來，科學家一直在思考貓是如何做到這一點的。正如2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克在一篇最新的論文中所指出的那樣，將一只有生命的貓當作一個機械系統(tǒng)，通過數(shù)學定理來分析其下墜行為和運動軌跡，理論上是行不通的。

維爾切克是美國麻省理工學院的理論物理學家。他指出，貓不是機械系統(tǒng)，作為生命體，它可以消耗儲存的能量，將能量賦予肢體運動，改變牛頓運動定律下的活動軌跡，以避免受到傷害。

但物理定律確實適用于貓以及從昆蟲到大象的所有種類的動物。事實上，生物學并不規(guī)避物理學，也不排斥物理學原理。從微觀尺度的摩擦定律，到水和空氣中的流體動力學原理，地上奔跑、水中游弋的動物和空中飛翔的鳥類，利用物理定律的例子不勝枚舉。此外，動物行為的其他方面，從自然的呼吸現(xiàn)象，到建造遮風擋雨的庇護所，都不同程度地受到物理學原理的制約。同時，它們也在巧用物理學原理為自己創(chuàng)造更好的生活環(huán)境和生存機會。生物個體的行為，在不同程度上都會自覺或不自覺地受到物理學原理的影響。

科學家在解釋動物個體行為，以及它們?nèi)绾瓮ㄟ^與其他個體和環(huán)境的相互作用來形成這些行為等方面，已取得了重大進展，但動物行為物理學研究領域目前還處于初級階段。開展動物行為物理學研究，除了能更多地發(fā)現(xiàn)動物行為和技能背后的物理學原理之外，還有可能通過對尚不了解的動物行為和能力的研究，獲得新的物理學知識。

動物行為中的物理學原理

物理學原理廣泛適用于不同空間尺度的許多動物的行為模式。較小空間尺度行為模式的例子，比如壁虎和一些昆蟲擁有飛檐走壁的能力，它們不僅能夠在垂直墻壁上爬行，甚至還能在天花板上倒掛著行走，那是利用了相近原子之間的吸引力。稍大空間尺度行為模式的例子，比如物理學上的質地和結構的微妙變化，可為一些生物令人嘆為觀止的運動能力提供附著力，如鳥類羽毛中的羽小支帶有許多羽纖支，尖端的細鉤可起到尼龍扣的作用，方便飛行時將羽毛固定到位以增加升力。

通過增加或減少身體部位和物體表面之間的摩擦力，能幫助動物更好地實現(xiàn)自己的運動意向。如加州王蛇身上的鱗片有著特殊的紋理結構，可讓它在向前快速滑動時增加摩擦力，以防止運動方向出現(xiàn)偏差。最新研究發(fā)現(xiàn)，一些蛇類甚至進化出了不同紋理結構的鱗片，以減少運動中的摩擦力。

微觀結構在動物與水的互動中也起到很重要的作用。比如，許多動物身體的微觀結構擁有獨特的“超疏水性”——阻止水的滲透。研究發(fā)現(xiàn)，在潮濕的氣候下，或在水中，能防止更多的水滲入體內(nèi)。超疏水性對于許多動物來說是非常重要的適應性機制。特別是對飛鳥和會飛行的昆蟲而言，保持一定的體重維持飛行穩(wěn)定性，在生存競爭中是必不可少的。

動物身上的防水體表還可幫助動物清除雜質異物，保持皮膚潔凈。這種自我清潔機制，對于保護動物免遭皮膚寄生蟲和其他傳染病的危害非常重要。

動物外表與光產(chǎn)生相互作用的物理學原理，也與動物行為有關。例如，鳥類、蝴蝶和其他一些昆蟲的五彩斑斕的亮麗色彩，取決于它們體表不同微觀結構層千變?nèi)f化的組合方式。豐富多樣的色彩可以幫助它們在求偶時有更大勝算，與環(huán)境融為一體的偽裝色可避免被其他捕食動物發(fā)現(xiàn)。

從較大空間尺度上看，即使是最簡單的動物運動，也蘊含著物理學的一些基本原理。動物的一些行為，是它們身體與大腦之間電信號與化學信號復雜過程配合與協(xié)調的結果，也是動物行為與周圍環(huán)境物理特性的結合。例如，在水中游弋的動物，不僅受到動物自身運動的支配，同時也會受到水作為一種流體所擁有的物理特性的支配。不同的身體形狀，需要采取不同的游泳策略。例如，身形細長的魚兒，基本上是通過身體和尾巴的左右擺動向前推進的，而許多其他形狀的魚兒則是通過鰭的擺動在水中游弋。

動物筑巢中的物理學原理

動物不像人類，它們不需要什么指導手冊來引導行為，進化為它們提供了適應現(xiàn)存環(huán)境的各種技能和本能，其中也涉及一些深奧的物理學原理。螞蟻、黃蜂、獾和海貍等一些動物，雖然沒有學過物理學，但都會筑巢、建造庇護所，以保護自身免遭自然環(huán)境的種種威脅，而這些建筑結構都利用和蘊含了物理學的一些原理。

鳥類在修筑鳥巢時，會將樹枝、樹葉、灰塵和雜草混合在一起，形成一個穩(wěn)定可靠的完整結構。它們顯然知道，柔軟的枝條比堅硬的條桿能夠提供更好的支撐和穩(wěn)定性。物理實驗表明，柔性材料更易彎曲，柔軟枝條之間的摩擦力可將鳥類搜集的“建筑材料”更牢靠地固定在一起。研究人員希望能借鑒鳥類的筑巢技能來組裝一些仿鳥巢的組件，設計出多種全新的、用途廣泛的超級材料。

動物建造的巢穴，還展示了將溫度、濕度和通風條件控制在舒適范圍內(nèi)所涉及的一些物理學原理。假如動物建造的巢穴中沒有足夠的空氣流通，那么居住在其中的動物就會窒息而亡，聰明的動物顯然知道如何建造巢穴才不會將自己置于這種威脅之下。

草原土撥鼠（又名“草原犬鼠”）是一種生活在北美大草原上的松鼠科的嚙齒動物。它們會挖掘建造有多個通風口的大洞穴，并很好地利用了一些物理定律，使洞穴內(nèi)產(chǎn)生流動的氣流，提供適宜居住的通風條件。分析表明，這些空氣流通良好的通風口位于不同的海拔，其中蘊含了產(chǎn)生氣流壓力差的物理學原理。另有現(xiàn)場研究表明，草原土撥鼠早就無師自通地發(fā)現(xiàn)了這個物理定律，就像貓在下墜時知道如何扭轉和改變體位讓自己免遭傷害一樣。

此外，動物還擁有其他許多利用物理學原理的技巧。

這些技巧甚至連物理學家也無法完全解釋，這也是動物行為物理學這一全新的研究領域會引起科學家的極大興趣的原因。

從物理學的角度研究動物行為的許多方面，用以解釋物理學原理是如何在動物行為及其與自然環(huán)境的互動中導致產(chǎn)生某些行為，又是如何約束或制約一些其他行為的。對動物行為的研究有助于發(fā)現(xiàn)新的物理學規(guī)律，解釋自然界早已存在但我們還未發(fā)現(xiàn)或未能完全理解的自然現(xiàn)象。一個新興的研究領域正在開啟。

（愉兒摘自《科學24小時》2025年第2期）