Animalele folosesc fizica? Să numărăm căile

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

Să presupunem că țineți o pisică, cu stomacul sus, și o aruncați de la o fereastră de la etaj. Dacă o pisică este pur și simplu un sistem mecanic care respectă regulile lui Newton ale materiei în mișcare, ar trebui să aterizeze pe spate. (OK, există unele aspecte tehnice – ca acestea ar trebui făcute în vid, dar ignorați asta pentru moment.) În schimb, majoritatea pisicilor evită de obicei rănirea răsucindu-se în jos pentru a ateriza pe picioare.

Majoritatea oamenilor nu sunt nedumeriți 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 modului în care pisicile o fac. În mod clar, teorema matematică analizează pisica care cade ca sistem mecanic eșuează pentru pisicile viidupă cum subliniază laureatul Nobel Frank Wilczek într-o lucrare recentă.

„Această teoremă nu este relevantă pentru pisicile biologice reale”, scrie Wilczek, un fizician teoretician la MIT. Ele nu sunt sisteme mecanice închise și pot „consuma energie stocată… dând putere mișcării mecanice”.

Cu toate acestea, legile fizicii se aplică pisicilor, precum și oricărui alt fel de animale, de la insecte la elefanți. Biologia nu evită fizica; 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 de restricțiile impuse și de oportunitățile permise de fizică.

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

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

Creaturi în mișcare

Fizica se aplică animalelor în acțiune pe o gamă largă de scări spațiale. La cel mai mic capăt al intervalului, 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 tavan. La o scară ceva mai mare, texturile și structurile asigură aderența altor gimnastică biologică. La penele de păsări, de exemplu, cârligele și ghimpile minuscule acționează ca velcro, ținând penele în poziție pentru a îmbunătăți portanța atunci când zboară, raportează Rieser și colegii.

Texturile biologice ajută, de asemenea, mișcarea facilitând frecarea dintre părțile și suprafețele animalelor. Solzii de pe șerpii rege din California au texturi care permit alunecarea rapidă înainte, dar cresc frecarea pentru a întârzia mișcarea înapoi sau laterală. Unii șerpi care se rotesc lateral au evoluat aparent diferite texturi care reduc frecarea în direcția mișcării, sugerează cercetări 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 climă umedă, vărsarea picăturilor de apă poate fi esențială la animale, cum ar fi păsările și insectele zburătoare, unde greutatea și stabilitatea sunt de o importanță crucială”, notează Rieser, de la Universitatea Emory, și coautorii Chantal Nguyen, Orit Peleg și Calvin Riiska.

Suprafețele care blochează apă ajută, de asemenea, animalele să-și mențină pielea curată. „Acest mecanism de auto-curățare… poate fi important pentru a ajuta la protejarea animalului de pericole precum paraziții transmisi pe piele și alte infecții”, explică autorii Anual Review. Și, în unele cazuri, îndepărtarea materialului străin de pe suprafața unui animal poate fi necesară pentru a păstra proprietățile suprafeței care îmbunătățesc camuflajul.