松鼠如何成為“跑酷高手”

唐鳳

美國加州大學(xué)伯克利分校生物學(xué)家在過去幾十年里致力于研究壁虎、蟑螂和松鼠等動物是如何移動的，以及其身體和四肢如何幫助它們突破困境。

但是，這些動物如何決定是否跳下去？很顯然，運氣不可能讓每次看似極限的跳躍都成功?！皠游锉仨殞⑿袨榕c局部條件相匹配，產(chǎn)生關(guān)于哪些動作是可行的知覺信息，然后從可能性選項中選擇適當(dāng)?shù)摹！毖芯咳藛T說。

為了找到答案，研究人員觀察了自由放養(yǎng)的松鼠，他們在加州大學(xué)伯克利分校的桉樹林里，用食物誘使松鼠進(jìn)入一個合適觀察的環(huán)境。在這里，它們必須決定是跳過去吃花生還是放棄食物。

“樹冠是研究感知—行為耦合的理想自然實驗室。對樹棲動物而言，錯誤判斷可能會帶來嚴(yán)重后果，如摔傷是造成其肢體骨折的主要原因。因此，它們必須避免錯誤或迅速糾正錯誤?！毖芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，松鼠從樹枝上跳躍時，樹枝越脆弱或越順滑，它們就越謹(jǐn)慎。而且，松鼠只做了幾次嘗試就適應(yīng)了不同的環(huán)境。

“當(dāng)跨越一個缺口時，它們會衡量樹枝的彈性和必須跨越的缺口大小，以決定從哪里起跳。當(dāng)它們遇到具有新的力學(xué)特性的樹枝時，會在幾次跳躍中調(diào)整起跳動作。”研究人員說。

在松鼠做決定時，起跳樹枝的彈性和跳躍距離并非同樣重要。事實上，樹枝彈性比間距重要6倍。這可能是因為，松鼠知道如果計算錯誤，鋒利的爪子可以拯救自己。即便跳偏了，它們也能夠抓住樹枝，這就是松鼠尋找最佳跳躍策略時發(fā)揮創(chuàng)新性作用的地方。

除了松鼠如何判斷起跳動作，研究人員還量化了它們?nèi)绾胃鶕?jù)著陸點的穩(wěn)定性實時改變降落動作以及在空中的姿態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果松鼠騰空而起時速度過快或過慢，它們可以采用各種靈活的著陸方式進(jìn)行機動補償。

如果跳得太遠(yuǎn)，它們就會繞著樹枝向前翻滾；如果跳得太近，它們會用前腿著陸，然后在樹枝下面搖擺，并用爪子把自己拉到樹枝上面。這種自適應(yīng)規(guī)劃、學(xué)習(xí)控制性和反應(yīng)穩(wěn)定性操作的結(jié)合行為，足以幫助它們在樹枝間快速移動而不會掉下來。

騰空而起后，松鼠也有令人意想不到的創(chuàng)新。在復(fù)雜的跳躍過程中，它們通常會調(diào)整身體方向，從垂直的表面推下去，就像人類“跑酷”一樣，調(diào)整到合適的速度，確保更好地著陸，而支撐松鼠完成這一系列決策過程和動作的關(guān)鍵因素之一就是大腦。松鼠和其他居住在樹上的嚙齒動物進(jìn)化出了比穴居動物更大的大腦。這種更強大的腦力賦予了它們在林地茁壯成長所需的關(guān)鍵能力，包括更好的視力和運動技能。

英國愛丁堡大學(xué)研究人員對38種現(xiàn)存和滅絕的嚙齒動物的頭骨進(jìn)行了CT掃描，以研究動物大腦是如何隨時間變化的。隨著時間的推移，松鼠大腦的相對大小在增加，這主要是由于它們的體重急劇下降。而且，大腦中與視覺和運動技能有關(guān)的兩個關(guān)鍵區(qū)域的新皮層變得更大，幫助穩(wěn)定眼球運動的巖狀小葉也增大了。這些區(qū)域的擴(kuò)大有助于棲息在樹上的嚙齒動物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境中的生活。

在自然界中，動物總是具有非凡的運動能力：螨蟲能舉起相當(dāng)于其體重1 000倍的重量，螳螂蝦以子彈般的力量攻擊獵物，游隼以539.13千米/小時的速度俯沖向獵物。即使是人類嬰兒在自由玩耍時，每小時也能移動相當(dāng)于8個足球場的距離。然而，在現(xiàn)實世界中，動物的運動并不總處于最強、最快或最活躍的狀態(tài)。

確切地說，有效的行動是一個每時每刻將身體狀態(tài)與環(huán)境特征相匹配的過程，也就是移動必須因地制宜。人類對運動的感知也是一個迭代過程，在這個過程中，在可變環(huán)境中移動的經(jīng)驗產(chǎn)生了新啟示，新啟示反過來又促進(jìn)了新經(jīng)驗。松鼠和其他樹棲動物在學(xué)習(xí)如何在樹冠上跳躍時，很可能表現(xiàn)出了類似的校準(zhǔn)能力和創(chuàng)造力。

現(xiàn)實世界中的運動需要靈活性和創(chuàng)造力。研究人員認(rèn)為，松鼠是理解平衡和敏捷的生物學(xué)極限首屈一指的模型生物。“如果我們能了解松鼠是如何做到這一點的，就會發(fā)現(xiàn)在樹冠和其他復(fù)雜地形下，適用于其他動物和機器人高性能運動的一般原則。我認(rèn)為這是下一個前沿領(lǐng)域，即身體是如何決定運動的?！毖芯咳藛T表示，他們將繼續(xù)探索動物生物力學(xué)能力和認(rèn)知能力之間的相互作用。