動物世界中的物理學(xué)

從貓與牛頓運(yùn)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(yuǎn)也發(fā)現(xiàn)不了運(yùn)動定律。讓我們假設(shè)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(gè)機(jī)械系統(tǒng)，那么它在向下墜落的過程中，必然會遵循牛頓運(yùn)動定律，背部著地。但實(shí)際上，大多數(shù)貓?jiān)谙聣嫷倪^程中，通常會通過扭轉(zhuǎn)身體使四肢朝下來避免身體受傷。

一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家一直在思考貓是如何做到這一點(diǎn)的。正如2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(dāng)作一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)定理來分析其下墜行為和運(yùn)動軌跡，理論上是行不通的。

維爾切克是美國麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家。他指出，貓不是機(jī)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(yùn)動，改變牛頓運(yùn)動定律下的活動軌跡，以避免受到傷害。

但物理定律確實(shí)適用于貓以及從昆蟲到大象的所有種類的動物。事實(shí)上，生物學(xué)并不規(guī)避物理學(xué)，也不排斥物理學(xué)原理。從微觀尺度的摩擦定律，到水和空氣中的流體動力學(xué)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(fēng)擋雨的庇護(hù)所，都不同程度地受到物理學(xué)原理的制約。同時(shí)，它們也在巧用物理學(xué)原理為自己創(chuàng)造更好的生活環(huán)境和生存機(jī)會。生物個(gè)體的行為，在不同程度上都會自覺或不自覺地受到物理學(xué)原理的影響。

科學(xué)家在解釋動物個(gè)體行為，以及它們?nèi)绾瓮ㄟ^與其他個(gè)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(jìn)展，但動物行為物理學(xué)研究領(lǐng)域目前還處于初級階段。開展動物行為物理學(xué)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(xué)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(xué)知識。

動物行為中的物理學(xué)原理

物理學(xué)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(xué)上的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的微妙變化，可為一些生物令人嘆為觀止的運(yùn)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(xì)鉤可起到尼龍扣的作用，方便飛行時(shí)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(shí)現(xiàn)自己的運(yùn)動意向。如加州王蛇身上的鱗片有著特殊的紋理結(jié)構(gòu)，可讓它在向前快速滑動時(shí)增加摩擦力，以防止運(yùn)動方向出現(xiàn)偏差。最新研究發(fā)現(xiàn)，一些蛇類甚至進(jìn)化出了不同紋理結(jié)構(gòu)的鱗片，以減少運(yùn)動中的摩擦力。

微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)擁有獨(dú)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(yīng)性機(jī)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(zhì)異物，保持皮膚潔凈。這種自我清潔機(jī)制，對于保護(hù)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(xué)原理，也與動物行為有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)動，也蘊(yùn)含著物理學(xué)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(xué)信號復(fù)雜過程配合與協(xié)調(diào)的結(jié)果，也是動物行為與周圍環(huán)境物理特性的結(jié)合。例如，在水中游弋的動物，不僅受到動物自身運(yùn)動的支配，同時(shí)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(xì)長的魚兒，基本上是通過身體和尾巴的左右擺動向前推進(jìn)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(xué)原理

動物不像人類，它們不需要什么指導(dǎo)手冊來引導(dǎo)行為，進(jìn)化為它們提供了適應(yīng)現(xiàn)存環(huán)境的各種技能和本能，其中也涉及一些深?yuàn)W的物理學(xué)原理。螞蟻、黃蜂、獾和海貍等一些動物，雖然沒有學(xué)過物理學(xué)，但都會筑巢、建造庇護(hù)所，以保護(hù)自身免遭自然環(huán)境的種種威脅，而這些建筑結(jié)構(gòu)都利用和蘊(yùn)含了物理學(xué)的一些原理。

鳥類在修筑鳥巢時(shí)，會將樹枝、樹葉、灰塵和雜草混合在一起，形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的完整結(jié)構(gòu)。它們顯然知道，柔軟的枝條比堅(jiān)硬的條桿能夠提供更好的支撐和穩(wěn)定性。物理實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(fēng)條件控制在舒適范圍內(nèi)所涉及的一些物理學(xué)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(gè)通風(fēng)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(fēng)條件。分析表明，這些空氣流通良好的通風(fēng)口位于不同的海拔，其中蘊(yùn)含了產(chǎn)生氣流壓力差的物理學(xué)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(gè)物理定律，就像貓?jiān)谙聣嫊r(shí)知道如何扭轉(zhuǎn)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(xué)原理的技巧。

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

從物理學(xué)的角度研究動物行為的許多方面，用以解釋物理學(xué)原理是如何在動物行為及其與自然環(huán)境的互動中導(dǎo)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(xué)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(gè)新興的研究領(lǐng)域正在開啟。

（愉兒摘自《科學(xué)24小時(shí)》2025年第2期）