Используют ли животные физику? Давайте посчитаем способы

Исаак Ньютон не открыл бы законы движения, если бы изучал только кошек.

Предположим, вы несете кошку на животе, а затем выбрасываете ее из окна второго этажа. Если бы кошка была просто механической системой, подчиняющейся правилам Ньютона для движения материи, она бы приземлилась на спину. (Хорошо, есть некоторые технические детали — например, это нужно делать в вакууме, но пока проигнорируйте это.) Вместо этого большинство кошек обычно избегают травм, скручиваясь на пути вниз и приземляясь на ноги.

Большинство людей не удивляются такому трюку – каждый видел видеоролики, подтверждающие акробатическое мастерство кошек. Но вот уже более века учёные задаются вопросом о физике того, как кошки это делают. Очевидно, что математическая теория, анализирующая падение кошки как механическую систему, не может быть правильной. Неудача для живых кошекКак отмечает в недавней статье нобелевский лауреат Франк Вильшек.

«Эта теория неприменима к реальным биологическим кошкам», — пишет Вильчек, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. Они не являются закрытыми механическими системами и могут «потреблять накопленную энергию… и обеспечивать механическое движение».

Но законы физики применимы к кошкам, как и к любому другому виду животных, от насекомых до слонов. На самом деле биология не избегает физики; Скорее, он обнимает ее. От трения в микроскопических масштабах до динамики жидкости в воде и воздухе — животные используют законы физики, 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, которые она предоставляет.

«Организмы — это… системы, действия которых ограничены физикой в ​​различных масштабах длины и времени», — пишут Дженнифер Ризер и ее коллеги в текущем выпуске журнала. Ежегодный обзор физики конденсированного состояния.

Хотя область физики поведения животных все еще находится в зачаточном состоянии, значительный прогресс был достигнут в объяснении индивидуального поведения, а также того, как это поведение формируется под воздействием взаимодействия с другими людьми и окружающей средой. Помимо более подробной информации о том, как животные выполняют различные навыки, такие исследования могут также привести к новым физическим знаниям, полученным путем тщательного изучения способностей животных, которые ученые еще не понимают.

Существа в движении

Физика животных в движении применима к широкому диапазону пространственных масштабов. На самом маленьком конце спектра силы притяжения между близлежащими атомами облегчают способность гекконов и некоторых насекомых карабкаться по стенам или даже ходить по потолкам. В несколько большем масштабе текстуры и адгезионные структуры представляют собой другую биологическую гимнастику. Например, в птичьих перьях маленькие крючки и шипы действуют как липучки, удерживая перья в нужном положении, увеличивая подъемную силу во время полета, сообщают Райзер и его коллеги.

Биологические текстуры также помогают движению, облегчая трение между частями животных и поверхностями. Чешуя калифорнийских королевских змей имеет текстуру, которая позволяет быстро скользить вперед, но повышенное трение замедляет движение назад или в сторону. Недавние исследования показывают, что некоторые змеи, которые движутся боком, по-видимому, развили другую текстуру, уменьшающую трение в направлении движения.

Небольшие по размеру конструкции также играют важную роль во взаимодействии животных с водой. У многих животных крошечные структуры делают тело «супергидрофобным», то есть способным препятствовать проникновению воды. «Выделение капель воды во влажном климате может быть необходимо животным, таким как птицы и летающие насекомые, где вес и стабильность имеют решающее значение», — отмечают Риссер из Университета Эмори и соавторы Шанталь Нгуен, Орит Пелег и Кэлвин Риска.

Поверхности, блокирующие воду, также помогают животным сохранять кожу чистой. «Этот механизм самоочистки может быть важен для защиты животного от таких опасностей, как паразиты, передающиеся через кожу, и другие инфекционные заболевания», — объясняют авторы ежегодного обзора. В некоторых случаях может потребоваться удаление посторонних материалов с поверхности животного для сохранения свойств поверхности, улучшающих маскировку.