Animalele folosesc fizica? Să numărăm căile

Isaac Newton nu ar fi descoperit legile mișcării dacă ar fi studiat doar pisicile.

Să presupunem că porți o pisică pe burtă și apoi o arunci de la o fereastră de la etajul doi. Dacă pisica ar fi doar un sistem mecanic care se supune regulilor lui Newton pentru materia în mișcare, ar trebui să aterizeze pe spate. (Bine, există unele aspecte tehnice – de genul acesta trebuie făcut în vid, dar ignoră asta pentru moment.) În schimb, majoritatea pisicilor evită de obicei rănirea răsucindu-se în drumul lor în jos pentru a ateriza pe picioare.

Majoritatea oamenilor nu sunt surprinși de acest truc – toată lumea a văzut videoclipuri care atestă priceperea acrobatică a pisicilor. Dar de mai bine de un secol, oamenii de știință s-au întrebat despre fizica din spatele modului în care pisicile o fac. Evident, o teorie matematică care analizează căderea unei pisici ca sistem mecanic nu poate fi corectă. Eșec pentru pisicile viiDupă cum subliniază laureatul Nobel Frank Wilszek într-o lucrare recentă.

„Această teorie nu se aplică pisicilor biologice reale”, scrie Wilczek, un fizician teoretician la MIT. Nu sunt sisteme mecanice închise și pot „consuma energia stocată… și permite mișcarea mecanică”.

Dar legile fizicii se aplică pisicilor, precum și oricărei alte specii de animale, de la insecte la elefanți. De fapt, biologia nu evită fizica; Mai degrabă, o îmbrățișează. De la frecare pe scale microscopice la dinamica fluidelor în apă și aer, animalele exploatează legile fizice pentru a alerga, înota sau zbura. Orice alt aspect al comportamentului animalelor, de la respirație la construirea de adăposturi, depinde într-un fel sau altul de constrângerile impuse de fizică și de oportunitățile pe care le oferă.

„Organismele sunt… sisteme ale căror acțiuni sunt constrânse de fizică pe mai multe scale de lungime și de timp”, scriu Jennifer Reeser și colegii ei în numărul actual al revistei. Revizuirea anuală a fizicii materiei condensate.

În timp ce domeniul fizicii comportamentului animal este încă la început, s-au făcut progrese semnificative în explicarea comportamentelor individuale, împreună cu modul în care aceste comportamente sunt modelate de interacțiunile cu alți indivizi și cu mediul. În afară de a descoperi mai multe despre modul în care animalele efectuează o varietate de abilități, o astfel de cercetare poate duce, de asemenea, la noi cunoștințe fizice dobândite prin examinarea abilităților animalelor pe care oamenii de știință nu le înțeleg încă.

Creaturi în mișcare

Fizica animalelor în mișcare se aplică la o gamă largă de scări spațiale. La cel mai mic capăt al spectrului, forțele atractive dintre atomii din apropiere facilitează capacitatea gecoșilor și a unor insecte de a se catara pe pereți sau chiar de a merge pe tavane. La o scară ceva mai mare, texturile și structurile de aderență oferă o altă gimnastică biologică. La penele de păsări, de exemplu, cârligele mici și țepii acționează ca velcro, ținând penele în poziție pentru a îmbunătăți portanța în timpul zborului, raportează Reiser și colegii săi.

Texturile biologice ajută, de asemenea, mișcarea facilitând frecarea dintre părțile și suprafețele animalelor. Solzii șerpilor rege din California au o textură care permite alunecarea rapidă înainte, dar o frecare crescută pentru a întârzia mișcarea înapoi sau laterală. Cercetări recente sugerează că unii șerpi care se mișcă lateral au evoluat aparent diferite texturi care reduc frecarea în direcția mișcării.

Structurile de dimensiuni mici joacă, de asemenea, un rol important în interacțiunea animalelor cu apa. Pentru multe animale, structurile minuscule fac corpul „superhidrofob” – adică capabil să împiedice pătrunderea apei. „Vărsarea picăturilor de apă în climatele umede poate fi necesară la animale, cum ar fi păsările și insectele zburătoare, unde greutatea și stabilitatea sunt esențiale”, subliniază Risser de la Universitatea Emory și co-autori Chantal Nguyen, Orit Peleg și Calvin Riska.

Suprafețele care blochează apa ajută animalele să-și mențină pielea curată. „Acest mecanism de auto-curățare ar putea fi important pentru a ajuta la protejarea animalului de pericole, cum ar fi paraziții transmisi de piele și alte boli infecțioase”, explică autorii revizuirii anuale. În unele cazuri, îndepărtarea materialelor străine de pe suprafața animalului poate fi necesară pentru a menține proprietățile suprafeței care îmbunătățesc camuflajul.