本文最初发表于 Knowable Magazine。
如果艾萨克·牛顿只研究猫，他可能永远无法发现运动定律。
假设你将一只猫腹部朝上，从二楼的窗户扔下去。如果猫仅仅是一个遵循牛顿运动定律的机械系统，它应该会背部着地。（好吧，这里有一些技术细节——比如这应该在真空中进行，但暂时忽略这一点。）相反，大多数猫在下坠过程中会通过扭转身体来落地，从而避免受伤。
大多数人对这个把戏并不感到神秘——每个人都看过视频，证明了猫咪惊人的柔韧性。但一个多世纪以来，科学家们一直在思考猫咪是如何做到这一点的物理学原理。正如诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）最近的一篇论文所指出的，分析将下坠的猫视为一个机械系统的数学定理 对于活猫来说是不适用的。
“这个定理与真实的生物猫无关，”威尔切克（MIT理论物理学家）写道。它们不是封闭的机械系统，并且可以“消耗储存的能量……驱动机械运动。”
然而，物理定律确实适用于猫——以及从昆虫到大象的各种其他动物。生物学并非回避物理学；它拥抱它。从微观尺度的摩擦力到水和空气中的流体动力学，动物都在利用物理定律奔跑、游泳或飞翔。动物行为的每一个其他方面，从呼吸到建造住所，都在某种程度上依赖于物理学所施加的限制和所允许的机会。
“生物体是……在多个长度尺度和时间尺度上其行为受到物理学约束的系统，”詹妮弗·赖泽（Jennifer Rieser）和她的合著者在最新一期的 Annual Review of Condensed Matter Physics 上写道。
虽然动物行为物理学领域仍处于起步阶段，但在解释个体行为以及这些行为如何通过与其他个体和环境的互动来塑造方面，已经取得了实质性进展。除了更多地了解动物如何展现其多样化的技能之外，这类研究还可能通过审视科学家们尚未理解的动物能力，从而带来新的物理学知识。
运动中的生物
物理学适用于动物在各种空间尺度上的运动。在最小的尺度上，附近原子之间的吸引力有助于壁虎和一些昆虫攀爬墙壁甚至在天花板上行走。在稍大一些的尺度上，纹理和结构为其他生物体操提供了附着力。例如，在鸟类羽毛中，微小的钩子和羽小枝就像魔术贴一样，将羽毛固定到位，以增强飞行时的升力，赖泽和她的同事们报道。
生物纹理还可以通过促进动物身体部位与表面之间的摩擦来辅助运动。加州王蛇的鳞片具有能够快速向前滑动的纹理，但会增加摩擦力以阻止向后或侧向的运动。最近的研究表明，一些侧滑蛇似乎演化出了不同的纹理，以减小运动方向上的摩擦力。
微小结构对于动物与水的相互作用也很重要。对于许多动物来说，微结构使身体“超疏水”——能够阻止水的渗透。“在潮湿的气候下，水滴的排出对动物至关重要，例如飞行的鸟类和昆虫，因为重量和稳定性至关重要，”赖泽（埃默里大学）和合著者查塔·阮（Chantal Nguyen）、奥里特·佩莱格（Orit Peleg）和卡尔文·里斯卡（Calvin Riiska）写道。
防水表面也有助于动物保持皮肤清洁。“这种自清洁机制……可能有助于保护动物免受皮肤寄生虫和其他感染等危险，”《年度评论》的作者解释说。在某些情况下，清除动物表面的异物对于保持增强伪装的表面特性可能是必要的。
事实上，光线与动物表面相互作用的物理学与许多其他行为都相关。鸟类、蝴蝶和其他一些昆虫的 鲜艳色彩 和虹彩取决于不同微结构层级的组合方式。这些颜色有助于求偶，并可能影响躲避捕食者的能力。
在更大的尺度上，物理学仍然是动物最简单运动的基础，这需要体内以及身体与大脑之间复杂的电信号和化学信号协调。为了成功运动，内部物理学必须与环境的物理特性相匹配。例如，在流体中移动不仅取决于身体，还取决于液体的特性。
在水中，游泳动物根据各种因素采用不同的移动策略，包括它们身体的形状。例如，身体苗条的鱼基本上是通过身体和尾巴的左右摆动来推进的。许多其他体型的鱼则通过摆动鱼鳍来产生运动。
描述这些策略的物理学方法很难考虑湍流和漩涡等因素。在这些情况下计算预期行为可能会超出可用的计算能力。因此，科学家们转向了实际实验。其中一项研究为鳟鱼的一种奇特能力提供了线索；流过圆柱体的水会产生一个涡流，使即使是死鳟鱼也能逆流而上。
动物的建造
进化已经赋予动物适应现有环境的运动技能，而无需任何说明手册。但是，改变环境以造福动物需要更高级的物理学知识。从蚂蚁和黄蜂到獾和海狸，各种动物都学会了建造巢穴、住所和其他结构，以防御环境威胁。
例如，鸟巢必须将树枝、树叶、泥土和草等材料结合起来，形成一个具有可靠稳定性和机械完整性的结构。鸟类显然知道柔韧的树枝或细枝比坚硬的树枝提供更好的稳定性；物理学实验表明，更柔韧材料的弯曲能够产生摩擦力，有助于将巢穴固定在一起。赖泽和她的同事们猜测，应用更多关于组装巢穴构件的鸟类知识，可以帮助科学家为各种目的设计新型的超材料。
动物结构还必须遵守物理学定律，以在舒适的范围内控制温度、湿度和通风。“例如，如果没有足够的空气交换，动物就会窒息，”赖泽和她的同事们写道。
例如，草原犬鼠会挖掘具有多个开口的大型洞穴。物理学分析表明，这些开口的高度应该不同，以提供适当的通风（通过压力差诱导气流）。实地研究表明，草原犬鼠工程师们已经自己解决了这个问题——就像猫咪自己找到了在下坠时扭转身体并改变体形的方法一样。
毫无疑问，动物还有许多其他技巧是物理学家自己也无法完全解释的，这就是为什么动物行为物理学领域如此富有成果。
“从物理学的角度进一步研究动物行为的许多方面，”赖泽和她的同事们写道，“将……有助于发现自然界已经解决但我们尚未发现或完全理解的新行为物理学定律。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
