حیواناتی که استاد بهره‌گیری از قوانین فیزیک هستند

اگر آیزاک نیوتن  فقط گربه‌ها را مطالعه می‌کرد، شاید هرگز قوانین حرکت را کشف نمی‌کرد. فرض کنید گربه‌ای را در دست دارید و درحالی‌که شکمش رو به بالا است، آن را از پنجره طبقه دوم رها می‌کنید. اگر گربه صرفا سیستمی مکانیکی باشد که از قوانین نیوتن درباره حرکت پیروی می‌کند، باید روی پشت خود فرود آید (جزئیات فنی مانند اینکه این کار باید در خلاء انجام شود، وجود دارد، اما برای این بحث آن را نادیده بگیرید). درعوض، اغلب گربه‌ها معمولا با چرخاندن خود در طول مسیر و فرود آمدن روی پاهایشان از آسیب دیدن جلوگیری می‌کنند.

ترفند خاص گربه‌ها هنگام سقوط از ارتفاع، برای بیشتر مردم عجیب نیست. همه ویدئوهایی را دیده‌اند که نشان‌دهنده مهارت‌های آکروباتیک گربه‌ها است. اما به مدت بیش از یک قرن، دانشمندان درمورد فیزیک چگونگی انجام این کار توسط گربه‌ها سردرگم بودند.

همان‌طور که فرانک ویلچک، برنده جایزه نوبل در مقاله اخیر خود اشاره می‌کند، قضیه ریاضی که سقوط گربه را به‌عنوان سیستمی مکانیکی درنظر می‌گیرد، برای گربه‌های زنده به کار نمی‌آید. ویلچک، فیزیکدان نظری در وب‌سایت MIT می‌نویسد: «این قضیه به گربه‌های زیستی واقعی مربوط نمی‌شود. آن‌ها سیستم‌های مکانیکی بسته نیستند و انرژی ذخیره‌شده را مصرف و حرکت مکانیکی را تقویت می‌کنند.»

البته، زیست‌شناسی از فیزیک جدا نیست و قوانین فیزیک درمورد گربه‌ها و تمام جانوران دیگر اعمال می‌شود. از اصطکاک در مقیاس‌های میکروسکوپی گرفته تا دینامیک سیالات در آب و هوا، حیوانات از قوانین فیزیک برای دویدن، شنا کردن یا پرواز کردن استفاده می‌کنند. هر جنبه دیگری از رفتار حیوانات نیز، از تنفس گرفته تا ساختن پناهگاه، به محدودیت‌های تعیین‌شده و فرصت‌های مجاز قوانین فیزیک بستگی دارد.

جنیفر ریسر و همکارانش در شماره جاری مجله‌ی Annual Review of Condensed Matter Physics می‌نویسند: «موجودات زنده سیستم‌هایی هستند که اعمال آن‌ها در مقیاس‌های طولی و مقیاس‌های زمانی متعدد توسط فیزیک محدود می‌شود.»

درحالی‌که حوزه علمی فیزیک رفتار حیوانات هنوز در مراحل ابتدایی خود است، پیشرفت‌های قابل‌توجهی در زمینه‌ی توضیح رفتارهای فردی به همراه نحوه شکل‌گیری آن رفتارها ازطریق تعامل با سایر افراد و محیط صورت گرفته است. چنین پژوهش‌هایی ممکن است به دانش فیزیک جدیدی منجر شود که در جوامع انسانی کاربردهایی داشته باشد.

فیزیک روی حیوانات درحال کار در طیف گسترده‌ای از مقیاس‌های فضایی اعمال می‌شود. در کوچک‌ترین انتهای طیف، نیروهای کِشنده بین اتم‌های مجاور توانایی مارمولک‌های کگو و برخی از حشرات را برای بالا رفتن از دیوارها و حتی حرکت روی سقف تسهیل می‌کند.

در مقیاس کمی بزرگ‌تر، بافت‌ها و ساختارها چسبندگی موردنیاز را برای سایر حرکات ژیمناستیک‌وار موجودات زنده فراهم می‌کند. برای مثال، قلاب‌های ریز و ریشه‌ی پرهای پرندگان، پرها را در موقعیتی نگه می‌دارند که هنگام پرواز بالا بیایند.

بافت‌های زیستی همچنین با تسهیل اصطکاک بین بخش‌های بدن حیوانات و سطوح به حرکت کمک می‌کنند. فلس‌های روی شاه‌مارهای کالیفرنیا بافتی دارد که امکان خزیدن سریع به جلو را ممکن می‌سازد، اما با افزایش اصطکاک، حرکت به پشت یا به پهلو را به تاخیر می‌اندازد. برخی از مارهای دارای توانایی حرکت از پهلو، بافت‌های متفاوتی را تکامل داده‌اند که اصطکاک را در این جهت حرکت کاهش می‌دهد.

ساختارهای کوچک برای تعامل حیوانات با آب نیز مهم هستند. در بسیاری از حیوانات، ریزساختارهایی وجود دارد که بدن را به شدت آبگریز می‌سازد و مانع از نفوذ آب می‌شود. در آب و هوای مرطوب، برای حیواناتی نظیر پرندگان و حشرات پروازکننده که وزن و پایداری آن‌ها اهمیت زیادی دارد، دفع قطرات آب ضروری است.

سطوح ممانعت‌کننده از آب همچنین به حیوانات کمک می‌کنند پوست خود را تمیز نگه دارند. این مکانیسم پاکسازی می‌تواند به محافظت از حیوان دربرابر خطراتی مانند انگل‌های پوستی و عفونت‌های دیگر کمک کند. در برخی موارد نیز، حذف مواد خارجی از سطح بدن حیوان ممکن است برای حفظ خواص سطحی که به استتار کمک می‌کنند، ضروری باشد.

فیزیکِ نحوه تعامل نور با سطح حیوان برای بسیاری از رفتارهای دیگر اهمیت دارد. رنگ‌های درخشنده و رنگین‌تاب در پرندگان، پروانه‌ها و برخی از حشرات دیگر به نحوه ترکیب لایه‌های متشکل از ریزساختارهای مختلف بستگی دارد. چنین رنگ‌هایی در رفتارهای نمایشی جلب جفت نقش دارد و می‌تواند توانایی اجتناب از شکارچیان را نیز تحت‌تاثیر قرار دهد.

در مقیاس‌های بزرگ‌تر، فیزیک همچنان اساس ساده‌ترین حرکات حیوانات است که به هماهنگی پیچیده پیام‌رسانی شیمیایی و الکتریکی درون بدون و بین بدن و مغز نیاز دارد. از سوی دیگر، برای حرکت موفقیت‌آمیز، فیزیک درونی باید با ویژگی‌های فیزیکی محیط سازگار باشد. برای مثال، حرکت در مایع، نه تنها توسط بدن بلکه همچنین توسط ویژگی‌های آن مایع کنترل می‌شود.

درون آب، حیوانات شناگر بسته به عوامل مختلفی ازقبیل شکل بدنشان از استراتژی‌های حرکتی مختلفی استفاده می‌کنند. به‌عنوان مثال، ماهی‌های باریک با حرکت از پهلو و دم، خود را به پیش می‌رانند، درحالی‌که ماهی‌های با اشکال بدنی دیگر با تکان دادن باله‌ها در آب حرکت می‌کنند.

روش‌های فیزیک برای توصیف این استراتژی‌ها نمی‌توانند به سادگی عواملی مانند تلاطم و گرداب‌ها را توضیح دهند. محاسبه رفتار مورد انتظار در چنین شرایطی می‌تواند از توان محاسباتی حاضر فراتر رود. بنابراین، دانشمندان به آزمایش‌های واقعی روی آورده‌اند. یکی از این مطالعات سرنخ‌هایی از توانایی عجیب قزل‌آلا ارائه کرده است. آبی که از کنار ساختار استوانه‌ای‌شکل عبور می‌کند، گردابی را ایجاد می‌کند که حتی به قزل‌آلای مرده امکان شنا به سمت بالادست را می‌دهد.

تکامل به حیوانات مهارت‌های حرکتی سازگار با محیط موجود را بدون نیاز به کتابچه راهنما اعطا کرده است. اما تغییر محیط به نفع خود،  به دانش فیزیک پیچیده‌تری نیاز دارد.

از مورچه‌ها و زنبورها گرفته تا گورکن‌ها و سگ‌های آبی، حیوانات مختلف یاد گرفته‌اند که چگونه لانه‌ها، پناهگاه‌ها و سایر ساختارهای محافظ دربرابر تهدیدهای محیطی را بسازند. به‌عنوان مثال، لانه‌های پرندگان باید چوب، برگ و خاک را در قالب ساختاری پایدار و یکپارچه ترکیب کند. پرندگان ظاهراً می‌دانند شاخه‌های نرم نسبت به شاخه‌های انعطاف‌ناپذیر پایداری بهتری دارند. آزمایش‌های فیزیکی نشان داده است خم کردن مواد انعطاف‌پذیر امکان ایجاد نیروهای اصطکاکی را فراهم می‌کند که به حفظ آشیانه کمک می‌کند.

ساختارهای حیوانی همچنین باید از فیزیک لازم برای کنترل دما، رطوبت و تهویه در محدوده‌ آسایش تبعیت کنند. برای مثال، بدون تبادل هوای کافی حیوانات خفه خواهند شد. سنجاب‌های دشتی، گودال‌های بزرگی با چندین دهانه ایجاد می‌کنند. تجزیه‌و‌تحلیل فیزیکی نشان می‌دهد دهانه‌ها باید ازنظر ارتفاع متفاوت باشند تا تهویه مناسب ممکن شود (ازطریق تفاوت فشاری که موجب جریان هوا می‌شود).

بدون شک حیوانات ترفندهای زیادی دارند که خود فیزیکدانان هنوز نمی‌توانند به‌طور کامل توضیح دهند، به همین دلیل است که حوزه فیزیک رفتار حیوانات بسیار پرثمر است. پژوهش‌های بیشتر درباره بسیاری از جنبه‌های رفتار حیوانات از دیدگاه فیزیک به کشف قوانین فیزیک جدید برای رفتار که طبیعت آن را کشف کرده، اما ما هنوز آن را کشف نکرده یا به خوبی درک نکرده‌ایم، کمک خواهد کرد.