动物世界中的物理学

猫咪灵活扭动身躯轻轻跃上高处，蟒蛇在地上蜿蜒滑行，它们的行为都在利用物理学的一些原理，遵循着物理学的某些规律。科学家对动物行为背后的物理学原理产生了浓厚的兴趣，并对其进行了研究和探讨。

从猫与牛顿运动定律说起

如果牛顿只研究猫的行为的话，那么他或许永远也发现不了运动定律。让我们假设一下这样的场景：你抱着一只猫，将它腹部朝上从二楼窗户扔下去。如果这只猫是一个机械系统，那么它在向下坠落的过程中，必然会遵循牛顿运动定律，背部着地。但实际上，大多数猫在下坠的过程中，通常会通过扭转身体使四肢朝下来避免身体受伤。

一个多世纪以来，科学家一直在思考猫是如何做到这一点的。正如2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克在一篇最新的论文中所指出的那样，将一只有生命的猫当作一个机械系统，通过数学定理来分析其下坠行为和运动轨迹，理论上是行不通的。

维尔切克是美国麻省理工学院的理论物理学家。他指出，猫不是机械系统，作为生命体，它可以消耗储存的能量，将能量赋予肢体运动，改变牛顿运动定律下的活动轨迹，以避免受到伤害。

但物理定律确实适用于猫以及从昆虫到大象的所有种类的动物。事实上，生物学并不规避物理学，也不排斥物理学原理。从微观尺度的摩擦定律，到水和空气中的流体动力学原理，地上奔跑、水中游弋的动物和空中飞翔的鸟类，利用物理定律的例子不胜枚举。此外，动物行为的其他方面，从自然的呼吸现象，到建造遮风挡雨的庇护所，都不同程度地受到物理学原理的制约。同时，它们也在巧用物理学原理为自己创造更好的生活环境和生存机会。生物个体的行为，在不同程度上都会自觉或不自觉地受到物理学原理的影响。

科学家在解释动物个体行为，以及它们如何通过与其他个体和环境的相互作用来形成这些行为等方面，已取得了重大进展，但动物行为物理学研究领域目前还处于初级阶段。开展动物行为物理学研究，除了能更多地发现动物行为和技能背后的物理学原理之外，还有可能通过对尚不了解的动物行为和能力的研究，获得新的物理学知识。

动物行为中的物理学原理

物理学原理广泛适用于不同空间尺度的许多动物的行为模式。较小空间尺度行为模式的例子，比如壁虎和一些昆虫拥有飞檐走壁的能力，它们不仅能够在垂直墙壁上爬行，甚至还能在天花板上倒挂着行走，那是利用了相近原子之间的吸引力。稍大空间尺度行为模式的例子，比如物理学上的质地和结构的微妙变化，可为一些生物令人叹为观止的运动能力提供附着力，如鸟类羽毛中的羽小支带有许多羽纤支，尖端的细钩可起到尼龙扣的作用，方便飞行时将羽毛固定到位以增加升力。

通过增加或减少身体部位和物体表面之间的摩擦力，能帮助动物更好地实现自己的运动意向。如加州王蛇身上的鳞片有着特殊的纹理结构，可让它在向前快速滑动时增加摩擦力，以防止运动方向出现偏差。最新研究发现，一些蛇类甚至进化出了不同纹理结构的鳞片，以减少运动中的摩擦力。

微观结构在动物与水的互动中也起到很重要的作用。比如，许多动物身体的微观结构拥有独特的“超疏水性”——阻止水的渗透。研究发现，在潮湿的气候下，或在水中，能防止更多的水渗入体内。超疏水性对于许多动物来说是非常重要的适应性机制。特别是对飞鸟和会飞行的昆虫而言，保持一定的体重维持飞行稳定性，在生存竞争中是必不可少的。

动物身上的防水体表还可帮助动物清除杂质异物，保持皮肤洁净。这种自我清洁机制，对于保护动物免遭皮肤寄生虫和其他传染病的危害非常重要。

动物外表与光产生相互作用的物理学原理，也与动物行为有关。例如，鸟类、蝴蝶和其他一些昆虫的五彩斑斓的亮丽色彩，取决于它们体表不同微观结构层千变万化的组合方式。丰富多样的色彩可以帮助它们在求偶时有更大胜算，与环境融为一体的伪装色可避免被其他捕食动物发现。

从较大空间尺度上看，即使是最简单的动物运动，也蕴含着物理学的一些基本原理。动物的一些行为，是它们身体与大脑之间电信号与化学信号复杂过程配合与协调的结果，也是动物行为与周围环境物理特性的结合。例如，在水中游弋的动物，不仅受到动物自身运动的支配，同时也会受到水作为一种流体所拥有的物理特性的支配。不同的身体形状，需要采取不同的游泳策略。例如，身形细长的鱼儿，基本上是通过身体和尾巴的左右摆动向前推进的，而许多其他形状的鱼儿则是通过鳍的摆动在水中游弋。

动物筑巢中的物理学原理

动物不像人类，它们不需要什么指导手册来引导行为，进化为它们提供了适应现存环境的各种技能和本能，其中也涉及一些深奥的物理学原理。蚂蚁、黄蜂、獾和海狸等一些动物，虽然没有学过物理学，但都会筑巢、建造庇护所等，以保护自身免遭自然环境的种种威胁，而这些建筑结构都利用和蕴含了物理学的一些原理。

鸟类在修筑鸟巢时，会将树枝、树叶、灰尘和杂草混合在一起，形成一个稳定可靠的完整结构。它们显然知道，柔软的枝条比坚硬的条杆能够提供更好的支撑和稳定性。物理实验表明，柔性材料更易弯曲，柔软枝条之间的摩擦力可将鸟类搜集的“建筑材料”更牢靠地固定在一起。研究人员希望能借鉴鸟类的筑巢技能来组装一些仿鸟巢的组件，设计出多种全新的、用途广泛的超级材料。

动物建造的巢穴，还展示了将温度、湿度和通风条件控制在舒适范围内所涉及的一些物理学原理。假如动物建造的巢穴中没有足够的空气流通，那么居住在其中的动物就会窒息而亡，聪明的动物显然知道如何建造巢穴才不会将自己置于这种威胁之下。

草原土拨鼠（又名“草原犬鼠”）是一种生活在北美大草原上的松鼠科的啮齿动物。它们会挖掘建造有多个通风口的大洞穴，并很好地利用了一些物理定律，使洞穴内产生流动的气流，提供适宜居住的通风条件。分析表明，这些空气流通良好的通风口位于不同的海拔，其中蕴含了产生气流压力差的物理学原理。另有现场研究表明，草原土拨鼠早就无师自通地发现了这个物理定律，就像猫在下坠时知道如何扭转和改变体位让自己免遭伤害一样。

此外，动物还拥有其他许多利用物理学原理的技巧。这些技巧甚至连物理学家也无法完全解释，这也是动物行为物理学这一全新的研究领域会引起科学家的极大兴趣的原因。

从物理学的角度研究动物行为的许多方面，用以解释物理学原理是如何在动物行为及其与自然环境的互动中导致产生某些行为，又是如何约束或制约一些其他行为的。对动物行为的研究有助于发现新的物理学规律，解释自然界早已存在但我们还未发现或未能完全理解的自然现象。一个新兴的研究领域正在开启。