从动物身上学习新物理

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Tom Siegfried2024年07月22日约 7 分钟

小猫蜘蛛侠是如何做到飞檐走壁的？图源：rabbot/Flickr

导读：

从微观尺度上的摩擦力到水和空气中的流体动力学，动物都利用物理定律来奔跑、游泳或飞翔。动物行为的方方面面——从呼吸到建造庇护所——在某种程度上都依赖并受限于物理学的可能性。

Tom Siegfried | 撰文

小聪 | 审校

中科院物理所 | 来源

现在我们假设这样一个场景，我们把一只猫肚子朝上，从二楼的窗户扔下去。如果猫只是一个遵守牛顿运动定律的机械系统，那么它应该会背部着地。（当然，这个假设中仍然存在一些技术性问题——比如说，这个场景应该要求在真空中进行，但我们现在先忽略这一点。）然而，大多数猫通常会在下落过程中扭动身体让脚部着地，以此来避免受伤。

大多数人（每一个看过猫咪杂技视频的人）并不会对此感到困惑。但一个多世纪以来，科学家们一直在思考猫咪做到这个动作的物理学原理。正如诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在最近的一篇论文中指出的那样，显然，将落猫作为一个整体进行牛顿力学分析对一只活猫而言是行不通的。

“这样的分析合理与否和猫的生命特征无关，”麻省理工学院的理论物理学家维尔切克写道。关键在于猫不是封闭的机械系统，而是可以“消耗储存的能量……从而增强机械运动”的一类研究对象。

然而，物理定律同样适用于猫——以及从昆虫到大象的每一种动物。生物学并不排斥物理学，相反，生物也包含着物理。从微观尺度上的摩擦力到水和空气中的流体动力学，动物都利用物理定律来奔跑、游泳或飞翔。动物行为的方方面面——从呼吸到建造庇护所——在某种程度上都依赖并受限于物理学的可能性。

“生物体是……行为在多重空间和时间尺度上受物理学约束的系统，”珍妮弗·里斯尔（Jennifer Rieser）等合作者在《凝聚态物理学年鉴》的最新一期报道中这样写道。

虽然，动物行为物理学这个领域仍处于起步阶段，但目前，在解释个体行为，以及这些行为是如何在与其他个体和环境的相互作用中形成的这些方面，科学家们已经取得了显著进展。除了更深入地了解动物是如何执行其多样化的技能外，此类研究还可以通过研究尚未被理解的动物能力，学习到新的物理学知识。

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运动中的小动物

物理学无论对多大尺寸的动物都一律适用。在最微小的生物结构尺度上（例如壁虎或者昆虫），邻近分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。在一个稍微宏观的尺度上，生物纹理和结构能够为生物提供附着力。例如，里斯尔及其同事报告说，在鸟类的羽毛中，微小的钩子和倒刺就像尼龙扣一样，将羽毛固定在恰当的位置，以增强飞行时的升力。

生物纹理也有助于动物的运动。这些纹理通过提高动物皮肤与环境之间的摩擦来强化运动。加州王蛇的鳞片具有这样特定的纹理，能够快速向前滑动，但在向后或侧向移动时会增加摩擦力，从而减缓运动速度。最新的研究表明，一些习惯侧行蛇类显然已经进化出了不同的纹理，这些纹理能够减少侧行运动方向上的摩擦力。

生物中的微结构对于动物的水中运动也同样重要。对于许多动物来说，动物皮肤表面的微结构使它们的身体具有“超疏水”性——能够不让水浸透皮肤。埃默里大学的里斯尔及其合著者尚塔尔·阮（Chantal Nguyen）、奥里特·佩莱格（Orit Peleg）和卡尔文·里斯卡（Calvin Riiska）指出：“在潮湿的环境中，疏水性对于飞行鸟类和昆虫等动物来说是至关重要的，因为这直接关系到它们的重量和稳定性。”。

动物的疏水表面还有助于它们保持皮肤清洁。“这种自我清洁机制……对于帮助动物抵御皮肤寄生虫和其他感染等潜在的危险要素至关重要，”文章中这样解释道。并且，在某些特殊情况下，清除动物皮肤的脏东西，保持皮肤的清洁，能够保护动物皮肤的伪装特性。

事实上，光与动物皮肤相互作用中蕴含的物理机理也与动物的许多行为息息相关。鸟类、蝴蝶和一些其他昆虫身上的鲜艳色彩和虹彩效应，取决于其皮肤、羽毛上微结构层的微观组合方式。这些颜色有助于动物或昆虫的求偶，并且能够影响它们躲避捕食者的能力。

在更宏观的尺度上，物理规律仍然是动物实现最简单动作的基础。即使是最简单的动作也需要动物身体内部以及身体与大脑之间复杂的电信号和化学信号的协调。为了成功完成一个动作，动物内部的物理条件需要与外部的环境条件相匹配。例如，在流体中移动的动物不仅受到身体条件的影响，还受到流体的影响。

在水中，鱼或者水栖生物会根据包括体型在内的各种因素采用不同的移动策略。例如，体型修长的鱼类基本上是通过身体和尾巴的左右摆动来推动自己前进的。而许多其他体型的鱼类则是通过摆动鱼鳍来推动自身运动的。

这些描述动物行为的物理模型很难考虑到湍流和漩涡等复杂因素的影响。采用物理规律描述并预测这种情况下动物的行为所需要的计算机算力往往会超出我们能够提供的算力。因此，科学家们将研究方向转向了实验研究。其中的一项研究揭示了鳟鱼的一种奇特能力：水流经过一个圆柱体会产生一个涡流，这个涡流甚至能让一条死去的鳟鱼逆流而上。

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自然建筑师

动物的不断进化使它们天生具备了能适应现有环境的运动技能。但是，动物为了各种目的而改造环境的话，则需要运用到更高深的物理知识。从蚂蚁、黄蜂到獾和水獭，各种动物都学会了如何建造巢穴、庇护所和其他“建筑”，以抵御环境的威胁。这些动物的建筑结构不仅为动物提供了安全的生活环境，还展示了它们在自然界中的智慧和适应能力。

例如，鸟巢是一个将树枝、树叶、泥土和草组合而成的一个结构可靠、机械完整性强的建筑。鸟类显然知道，柔软的树枝或细枝比坚硬的木条更能提供稳定性；物理实验表明，受到弯曲后的柔软材料能够产生更大的摩擦力，有助于将鸟巢固定在一起。里斯纳及其同事猜测，通过研究鸟类在建筑鸟巢时采用的基本原料和结构，可以帮助科学家研究出适用于各种用途的新型材料。

动物所搭建的“建筑”必须遵循非常巧妙的物理规律，从而将温度、湿度和通风控制在舒适的范围内。“如果没有足够的通风条件，那么动物就会窒息，”里斯尔及其同事写道。

又比如说，草原犬鼠会建造具有多个开口的洞穴。物理学分析表明，这些在垂直高度上具有差异的开口能够为洞穴提供适当的通风（通过压差诱导气流）。实地研究表明，草原犬鼠仿佛天生就发现了这一个物理规律——就像猫在摔倒时知道如何扭转和改变身体形状一样。

毫无疑问，动物中还有许多物理学家尚不能完全解释的行为，因此动物行为物理学领域还有非常广阔的研究空间。

里斯尔及其同事在文章中写道：“从物理学的角度对动物行为的多个方面进行进一步研究，将有助于发现自然界已经存在的，但我们尚未发现或尚未完全理解的新的物理规律。”

本文首发于Knowable Magazine, 中科院物理所（id：cas-iop）翻译，《赛先生》获授权转载。原文链接：Animals use physics? Let us count the ways

本文授权翻译自Annual Reviews 旗下杂志 Knowable Magazine，点击文末阅读原文可订阅其英文通讯。Annual Reviews是一家致力于向科研工作者们提供高度概括、综合信息的非营利性机构，且专注于出版综述期刊。Annual Reviews官方中文微信公众号已经上线，欢迎关注。