Cum utilizează animalele fizica

Isaac Newton nu ar fi descoperit niciodată legile mișcării dacă ar fi studiat doar pisici. Să presupunem că ții o pisică cu burta în sus și o lași să cadă de la fereastra de la etajul doi. Dacă o pisică este pur și simplu un sistem mecanic care respectă regulile lui Newton privind materia în mișcare, ar trebui să aterizeze pe spate. (Bine, există unele aspecte tehnice — cum ar fi faptul că ar trebui făcut acest experiment în vid, dar să ignorăm asta pentru moment.) În schimb, majoritatea pisicilor evită accidentările prin răsucirea lor în timpul căderii pentru a ateriza pe picioare.

Majoritatea oamenilor nu sunt surprinși de acest truc — toți au văzut videoclipuri care atestă măiestria acrobatică a pisicilor. Dar timp de mai bine de un secol, oamenii de știință s-au întrebat despre fizica acestui fenomen. Clar, teorema matematică ce analizează pisica în cădere ca un sistem mecanic eșuează în cazul pisicilor vii, după cum subliniază laureatul Nobel Frank Wilczek într-o lucrare recentă.

„Această teoremă nu este relevantă pentru pisicile biologice reale”, scrie Wilczek, fizician teoretic la MIT. Ele nu sunt sisteme mecanice închise și pot „consuma energie stocată, susținând mișcarea mecanică.”

Cu toate acestea, legile fizicii se aplică pisicilor — precum și oricărui alt tip de animal, de la insecte la elefanți. Biologia nu evită fizica; o îmbrățișează. De la frecarea la scări microscopice la dinamica fluidelor în apă și aer, animalele exploatează legile fizicii pentru a alerga, înota sau zbura. Orice alt aspect al comportamentului animalelor, de la respirație la construirea adăposturilor, depinde într-un fel de restricțiile impuse și oportunitățile permise de fizică.

„Organismele vii sunt, sisteme ale căror acțiuni sunt constrânse de fizică pe multiple scale de lungime și timp”, scriu Jennifer Rieser și coautorii.

Deși domeniul fizicii comportamentului animal este încă în fază incipientă, s-au făcut progrese substanțiale în explicarea comportamentelor individuale, precum și modul în care aceste comportamente sunt modelate prin interacțiuni cu alți indivizi și mediul. Pe lângă descoperirea mai multor informații despre cum animalele își desfășoară diversele abilități, astfel de cercetări ar putea conduce și la noi cunoștințe de fizică, obținute prin analizarea abilităților animalelor pe care oamenii de știință încă nu le înțeleg.

Creaturi în mișcare

Fizica se aplică animalelor în mișcare pe o gamă largă de scale spațiale. La capătul cel mai mic al gamei, forțele de atracție dintre atomii apropiați facilitează abilitatea gecko-urilor și a unor insecte de a se cățăra pe pereți sau chiar de a merge pe tavan. Pe o scară ușor mai mare, texturile și structurile oferă aderență pentru alte gimnastici biologice. În penele păsărilor, de exemplu, cârlige și țepi mici acționează ca Velcro, menținând penele în poziție pentru a îmbunătăți portanța în timpul zborului, raportează Rieser și colegii.

Constituțiile biologice ajută, de asemenea, la mișcare prin facilitarea frecării între părțile corpului animalelor și suprafețe. Solzii șerpilor California king au texturi care permit alunecarea rapidă înainte, dar cresc frecarea pentru a împiedica mișcarea înapoi sau lateral. Unelii șerpi sidewinder aparent au evoluat texturi diferite care reduc frecarea în direcția mișcării, sugerează cercetările recente.

Structurile la scară mică sunt, de asemenea, importante pentru interacțiunea animalelor cu apa. Pentru multe animale, microstructurile fac corpul „superhidrofob” — capabil să blocheze pătrunderea apei. „În climate umede, eliminarea picăturilor de apă poate fi esențială pentru animale, cum ar fi păsările și insectele zburătoare, unde greutatea și stabilitatea sunt extrem de importante”, notează Rieser, de la Universitatea Emory, și coautorii Chantal Nguyen, Orit Peleg și Calvin Riiska.

Fizica frecării determină modul în care formele și structurile diferite ale solzilor de șarpe influențează modurile în care aceștia se strecoară. Microțepii sunt orientați înspre coada unui șarpe California king, creând frecare care contracarează orice alunecare înapoi, dar netezesc mișcarea înainte.

Suprafețele care blochează apa ajută, de asemenea, animalele să își mențină pielea curată. „Acest mecanism de autocurățare,  poate fi important pentru a ajuta la protejarea animalului de pericole precum paraziții de piele și alte infecții”, explică autorii Annual Review. Și în unele cazuri, eliminarea materialelor străine de pe suprafața unui animal poate fi necesară pentru a păstra proprietățile de camuflaj ale suprafeței.

De fapt, fizica modului în care lumina interacționează cu suprafața unui animal este relevantă pentru multe alte comportamente. Culorile vii și irizația la păsări, fluturi și unele alte insecte depind de modul în care straturile de microstructuri diferite sunt combinate. Astfel de culori contribuie la curtare și pot influența capacitatea de a evita prădătorii.

La scări mai mari, fizica stă la baza chiar și a celor mai simple mișcări ale animalelor, care necesită o coordonare complexă a semnalizării electrice și chimice în corp și între corp și creier. Și pentru o mișcare de succes, fizica internă trebuie să se potrivească cu proprietățile fizice ale mediului. Mișcarea printr-un fluid, de exemplu, este guvernată nu doar de corp, ci și de proprietățile lichidului. În apă, animalele care înoată folosesc strategii de mișcare diferite în funcție de diferiți factori, inclusiv forma corpului lor. Peștii cu corpuri subțiri, de exemplu, se propulsează prin mișcarea laterală a corpului și a cozii. Peștii de multe alte forme corporale generează mișcare prin mișcarea înotătoarelor.

Metodele fizicii pentru descrierea acestor strategii nu pot explica ușor factori precum turbulența și vârtejurile. Calcularea comportamentului așteptat în astfel de situații poate depăși puterea de calcul disponibilă. Așa că oamenii de știință au recurs la experimente reale. Un astfel de studiu a oferit indicii despre o abilitate ciudată a păstrăvilor; apa care curge pe lângă un cilindru a indus un vortex care a permis chiar și unui păstrăv mort să înoate în amonte.

 Construcția animalelor

Evoluția a oferit animalelor abilități de mișcare adaptate mediului existent, fără a avea nevoie de un manual de instrucțiuni. Dar modificarea mediului în beneficiul unui animal necesită cunoștințe fizice mai sofisticate. De la furnici și viespi la bursuci și castori, diverse animale au învățat cum să construiască cuiburi, adăposturi și alte structuri pentru a se proteja de amenințările mediului.

Cuiburile de păsări, de exemplu, trebuie să combine bețe și frunze și pământ și iarbă într-o structură de stabilitate și integritate mecanică de încredere. Păsările par să știe că bețele sau ramurile flexibile oferă o stabilitate mai bună decât tijele rigide; experimentele de fizică au arătat că îndoirea materialelor mai flexibile permite forțelor de frecare să ajute la menținerea cuibului. Rieser și colegii bănuiesc că aplicarea mai multor cunoștințe despre păsări în asamblarea componentelor cuibului ar putea ajuta oamenii de știință să proiecteze noi metamateriale pentru diverse scopuri.

Structurile animale trebuie, de asemenea, să respecte fizica necesară pentru a controla temperatura, umiditatea și ventilația într-un interval confortabil. „Fără suficient schimb de aer, de exemplu, animalele ar sufoca”, scriu Rieser și colegii.

Câinii de prerie, de exemplu, construiesc vizuini extinse cu multiple deschideri. Aceste deschideri ar trebui să difere în înălțime, arată analiza fizicii, pentru a asigura ventilația corespunzătoare (prin diferențele de presiune care induc fluxul de aer). Studiile de teren arată că inginerii câini de prerie au descoperit asta pentru ei înșiși — la fel cum pisicile au descoperit cum să se răsucească și să-și schimbe forma corpului când cad.

Fără îndoială, animalele au multe alte trucuri pe care fizicienii înșiși nu le pot explica pe deplin încă, motiv pentru care domeniul fizicii comportamentului animal este atât de fertil.

„Investigațiile ulterioare ale multor fațete ale comportamentelor animalelor dintr-o perspectivă fizică”, scriu Rieser și colegii, „vor ajuta la descoperirea de noi legi fizice pentru comportamentul pe care natura l-a descoperit, dar pe care noi încă nu l-am descoperit sau înțeles pe deplin.”

 Sursa articolului.