تتلوى القطط وتنزلق الثعابين، مستغلة القوانين الفيزيائية ومتفاوضة عليها. ويحاول العلماء اكتشاف كيفية حدوث ذلك.
يبدو أن قدرة القطة الساقطة المذهلة على الهبوط على قدميها تتحدى قوانين الفيزياء، لكنها في الواقع ليست سوى واحدة من العديد من الطرق التي تسمح بها الفيزياء لبعض سلوكيات الحيوانات وتقيد سلوكيات أخرى.
لنفترض أنك تحمل قطة، وتضع بطنها على الأرض، ثم تسقطها من نافذة في الطابق الثاني. إذا كانت القطة عبارة عن نظام ميكانيكي يطيع قواعد نيوتن للمادة في الحركة، فيجب أن تهبط على ظهرها. (حسنًا، هناك بعض التفاصيل الفنية - مثل أن يتم ذلك في الفراغ، لكن تجاهل ذلك الآن). بدلاً من ذلك، تتجنب معظم القطط عادةً الإصابة عن طريق التواء نفسها في طريقها إلى الأسفل للهبوط على أقدامها.
لا يندهش معظم الناس من هذه الخدعة - فقد شاهد الجميع مقاطع فيديو تشهد على براعة القطط البهلوانية. ولكن لأكثر من قرن من الزمان، تساءل العلماء عن الفيزياء التي تحكم كيفية قيام القطط بذلك. من الواضح أن النظرية الرياضية التي تحلل سقوط القطة باعتبارها نظاماً ميكانيكياً تفشل في حالة القطط الحية، كما يشير الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلكزيك في ورقة بحثية حديثة.
ويكتب ويلكزيك، وهو فيزيائي نظري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "هذه النظرية ليست ذات صلة بالقطط البيولوجية الحقيقية". فهي ليست أنظمة ميكانيكية مغلقة، ويمكنها "استهلاك الطاقة المخزنة ... وتمكين الحركة الميكانيكية".
ومع ذلك، فإن قوانين الفيزياء تنطبق على القطط - فضلاً عن كل نوع آخر من الحيوانات، من الحشرات إلى الفيلة. لا تتجنب البيولوجيا الفيزياء؛ بل تحتضنها. من الاحتكاك على المقاييس المجهرية إلى ديناميكيات السوائل في الماء والهواء، تستغل الحيوانات القوانين الفيزيائية للجري أو السباحة أو الطيران. وكل جانب آخر من جوانب سلوك الحيوان، من التنفس إلى بناء الملاجئ، يعتمد بطريقة ما على القيود المفروضة، والفرص المسموح بها، من قبل الفيزياء.
"الكائنات الحية هي ... أنظمة تكون أفعالها مقيدة بالفيزياء عبر مقاييس طول ومقاييس زمنية متعددة،" كما كتبت جينيفر ريزر وزملاؤها في العدد الحالي من المراجعة السنوية لفيزياء المادة المكثفة.
وفي حين أن مجال فيزياء سلوك الحيوان لا يزال في مهده، فقد تم إحراز تقدم كبير في تفسير السلوكيات الفردية، جنبًا إلى جنب مع كيفية تشكيل هذه السلوكيات من خلال التفاعلات مع الأفراد الآخرين والبيئة. وبصرف النظر عن اكتشاف المزيد حول كيفية أداء الحيوانات لمجموعة متنوعة من المهارات، فإن مثل هذا البحث قد يؤدي أيضًا إلى معرفة فيزيائية جديدة تم اكتسابها من خلال التدقيق في قدرات الحيوانات التي لا يفهمها العلماء بعد.
المخلوقات في الحركة
تنطبق الفيزياء على الحيوانات في الحركة على نطاق واسع من المقاييس المكانية. في أصغر نهاية من النطاق، تسهل القوى الجاذبة بين الذرات القريبة قدرة الوزغ وبعض الحشرات على تسلق الجدران أو حتى المشي على الأسقف. على نطاق أكبر قليلاً، توفر القوام والهياكل الالتصاق للجمباز البيولوجي الآخر. في ريش الطيور، على سبيل المثال، تعمل الخطافات والأشواك الصغيرة مثل الفيلكرو، حيث تثبت الريش في وضع يعزز الرفع عند الطيران، وفقًا لتقرير ريزر وزملائه.
كما تساعد القوام البيولوجي في الحركة من خلال تسهيل الاحتكاك بين أجزاء الحيوان والأسطح. تمتلك قشور الثعابين الملكية الكاليفورنية قوامًا يسمح بالانزلاق السريع للأمام، ولكنها تزيد من الاحتكاك لتأخير الحركة للخلف أو الجانب. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن بعض الثعابين التي تتحرك جانبيًا قد طورت قوامًا مختلفًا يقلل من الاحتكاك في اتجاه الحركة.
الهياكل الصغيرة الحجم مهمة أيضًا لتفاعل الحيوانات مع الماء. بالنسبة للعديد من الحيوانات، تجعل الهياكل الدقيقة الجسم "كارهًا للغاية للماء" - قادرًا على منع اختراق الماء. يلاحظ ريزر، من جامعة إيموري، والمؤلفون المشاركون شانتال نجوين وأوريت بيليج وكالفن ريسكا، "في المناخات الرطبة، يمكن أن يكون تساقط قطرات الماء ضروريًا للحيوانات، مثل الطيور والحشرات الطائرة، حيث يكون الوزن والاستقرار في غاية الأهمية".
إن فيزياء الاحتكاك تحدد كيف تؤثر الأشكال والهياكل المختلفة لحراشف جلد الثعبان على الطرق التي تنزلق بها الثعابين. تبتعد الأشواك الدقيقة عن رأس ثعبان الملك الكاليفورني، مما يخلق احتكاكًا يعاكس أي انزلاق للخلف ولكنه يسهل الحركة للأمام.
Credit: Knowable Magazine
وتساعد الأسطح التي تحجب المياه الحيوانات أيضًا على الحفاظ على نظافة جلودها. ويشرح مؤلفو المراجعة السنوية: "يمكن أن تكون آلية التنظيف الذاتي هذه مهمة للمساعدة في حماية الحيوان من المخاطر مثل الطفيليات التي تنتقل عن طريق الجلد وغيرها من الأمراض المعدية". وفي بعض الحالات، قد يكون إزالة المواد الغريبة من سطح الحيوان ضروريًا للحفاظ على خصائص السطح التي تعزز التمويه.
في الواقع، فإن الفيزياء الخاصة بكيفية تفاعل الضوء مع سطح الحيوان ذات صلة بالعديد من السلوكيات الأخرى. تعتمد الألوان الزاهية والتلألؤ في الطيور والفراشات وبعض الحشرات الأخرى على كيفية دمج طبقات من الهياكل الدقيقة المختلفة. تساهم مثل هذه الألوان في المغازلة ويمكن أن تؤثر على القدرة على تجنب الحيوانات المفترسة.
على نطاقات أكبر، لا تزال الفيزياء تكمن وراء أبسط حركات الحيوانات، والتي تتطلب تنسيقًا معقدًا للإشارات الكهربائية والكيميائية داخل الجسم وبين الجسم والدماغ. وللحركة الناجحة، يجب أن تتوافق الفيزياء الداخلية مع الخصائص الفيزيائية للبيئة. على سبيل المثال، لا يحكم الحركة عبر سائل الجسم فحسب، بل وأيضًا خصائص السائل.
في الماء، تستخدم الحيوانات السابحة استراتيجيات مختلفة للحركة اعتمادًا على عوامل مختلفة، بما في ذلك شكل أجسامها. على سبيل المثال، تدفع الأسماك ذات الأجسام النحيلة نفسها بشكل أساسي عن طريق حركة الجسم والذيل من جانب إلى جانب. تولد الأسماك ذات الأشكال الأخرى للأجسام الحركة عن طريق تحريك زعانفها.
لا تستطيع الأساليب الفيزيائية لوصف هذه الاستراتيجيات أن تفسر بسهولة عوامل مثل الاضطرابات والدوامات. إن حساب السلوك المتوقع في مثل هذه المواقف قد يتجاوز قوة الحوسبة المتاحة. لذلك لجأ العلماء إلى التجارب الفعلية. قدمت إحدى هذه الدراسات أدلة على قدرة غريبة لسمك السلمون المرقط؛ حيث تسبب تدفق المياه عبر أسطوانة في حدوث دوامة سمحت حتى لسمك السلمون المرقط الميت بالسباحة عكس التيار.
تركيب الحيوانات
لقد زود التطور الحيوانات بمهارات الحركة المتكيفة مع البيئة الحالية دون الحاجة إلى دليل إرشادي. لكن تغيير البيئة لصالح الحيوان يتطلب مهارة فيزيائية أكثر تطورًا. من النمل والدبابير إلى الغرير والقنادس، تعلمت حيوانات مختلفة كيفية بناء الأعشاش والملاجئ وغيرها من الهياكل للحماية من التهديدات البيئية.
تحفر كلاب المروج جحورًا ذات مداخل متعددة على ارتفاعات مختلفة، وهي بنية تعتمد على قوانين الفيزياء لخلق تدفق الهواء عبر الغرفة وتوفير التهوية المناسبة.
Credit: Knowable Magazine
(كلب المروج حيوان قارض يعيش في جحور في المناطق العشبية الواقعة غربي أمريكا الشمالية، وينتمي إلى فصيلة السنجاب، وقد سُميّ بهذا الاسم لتشابه صوته بصوت عواء الكلب )
على سبيل المثال، يجب أن تجمع أعشاش الطيور بين العصي والأوراق والأوساخ والعشب في بنية ذات استقرار موثوق وسلامة ميكانيكية. يبدو أن الطيور تعرف أن العصي المرنة أو الأغصان توفر استقرارًا أفضل من القضبان الصلبة؛ أظهرت التجارب الفيزيائية أن ثني المواد الأكثر مرونة يمكن أن يمكّن القوى الاحتكاكية التي تساعد في تماسك العش. يشتبه ريزر وزملاؤه في أن تطبيق المزيد من معرفة الطيور حول تجميع مكونات العش يمكن أن يساعد العلماء في تصميم مواد ميتا جديدة لأغراض مختلفة.
يجب أن تلتزم الهياكل الحيوانية أيضًا بالفيزياء اللازمة للتحكم في درجة الحرارة والرطوبة والتهوية ضمن نطاق مريح. يكتب ريزر وزملاؤه: "بدون تبادل الهواء الكافي، على سبيل المثال، ستختنق الحيوانات".
على سبيل المثال، تبني كلاب البراري جحورًا واسعة ذات فتحات متعددة. وتظهر التحليلات الفيزيائية أن هذه الفتحات لابد وأن تختلف في الارتفاع، وذلك لتوفير التهوية المناسبة (عبر فروق الضغط التي تحفز تدفق الهواء). وتُظهِر الدراسات الميدانية أن مهندسي كلاب البراري اكتشفوا ذلك بأنفسهم ــ تماماً كما اكتشفت القطط كيفية الالتواء وتغيير شكل الجسم عند السقوط.
ولا شك أن الحيوانات لديها العديد من الحيل الأخرى التي لا يستطيع الفيزيائيون أنفسهم تفسيرها بالكامل بعد، وهذا هو السبب وراء خصوبة مجال فيزياء سلوك الحيوان.
ويكتب ريزر وزملاؤه: "إن المزيد من التحقيقات في الجوانب العديدة لسلوكيات الحيوانات من منظور فيزيائي، من شأنه أن يساعد في اكتشاف قوانين فيزيائية جديدة للسلوك توصلت إليها الطبيعة ولكننا لم نكتشفها أو نفهمها بالكامل بعد".
المصدر: