Исаак Ньютон никогда бы не открыл законы механики, в основе которых находится движение, если бы изучал только кошек. Предположим, вы держите кошку животом вверх и бросаете ее из окна второго этажа. Если кот — это просто механическая система, подчиняющаяся законам движения материи Ньютона, он должен приземлиться на спину. (Есть некоторые технические подробности: например, это нужно делать в вакууме, но пока можно проигнорировать это.) Но большинство кошек обычно избегают травм, выкручиваясь, чтобы приземлиться на лапы. Большинство людей не впечатлить этим трюком — все видели видеоролики, подтверждающие акробатическое мастерство животных. Но вот уже более века ученые задаются вопросом, как кошки это делают. Очевидно, что математическая теорема, рассматривающая падающую кошку как механическую систему, не работает для живых существ, как указывал в недавней статье американский физик-теоретик и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек. Он пояснил, что эта теорема не применима к реальным биологическим кошкам, так как они не являются закрытыми механическими системами и могут «потреблять накопленную энергию… обеспечивая механическое движение». Тем не менее законы физики применимы к кошкам, как и к любому другому виду животных. Биология не избегает физики, она ее охватывает. От трения в микроскопических масштабах до динамики жидкости в воде и воздухе — животные используют законы физики, чтобы бегать, плавать или летать. Любой другой аспект поведения животных (от дыхания до строительства убежищ) в той или иной степени зависит от ограничений, налагаемых физикой, и возможностей, которые она предоставляет. Американский исследователь Дженнифер Ризер и ее соавторы в своей научной статье пояснили, что живые организмы — это системы, действия которых ограничены физикой в различных масштабах длины и времени. Хотя область физики поведения животных все еще находится в зачаточном состоянии, значительный прогресс был достигнут в объяснении индивидуального поведения, а также того, как это поведение формируется посредством взаимодействия с другими индивидуумами и окружающей средой. Помимо более подробной информации о том, как животные реализуют свой разнообразный набор навыков, такие исследования могут также привести к новым знаниям в области физики, полученным путем тщательного изучения способностей существ. Существа в движении Физика применима к животным в действии в широком диапазоне пространственных масштабов. Силы притяжения между близлежащими атомами облегчают гекконам и некоторым насекомым способность взбираться по стенам или даже ползать по потолкам. Кроме того, текстуры и структуры обеспечивают адгезию для других видов биологической гимнастики. Например, в птичьих перьях крошечные крючки и зазубрины действуют как липучки, удерживая перья в нужном положении и увеличивая подъемную силу во время полета. Биологические текстуры также способствуют движению, облегчая трение между частями животных и поверхностями. Чешуя калифорнийских королевских змей имеет текстуру, которая позволяет быстро скользить вперед, но при движении назад или вбок трение увеличивается и замедляет животное. Недавние исследования показали, что некоторые змеи, использующие боковой ход, видимо, развили другую текстуру, которая уменьшает трение в направлении движения. Мелкие структуры также важны для взаимодействия животных с водой. У многих существ микроструктуры делают организм «супергидрофобным» — способным блокировать проникновение воды. Ризер в своей работе отметила, что во влажном климате сброс капель воды может быть важным для летающих птиц и насекомых, где вес и устойчивость имеют решающее значение. Водонепроницаемые поверхности также помогают существам сохранять кожу чистой. «Этот механизм самоочищения может быть важен для защиты животного от таких опасностей, как кожные паразиты и другие инфекции», — объяснили авторы научной статьи. Кроме того, в некоторых случаях может потребоваться удаление инородного материала с поверхности, чтобы сохранить свойства, улучшающие маскировку. Фактически физика того, как свет взаимодействует с поверхностью животного, актуальна для многих других видов поведения. Яркая окраска и переливчатость у птиц, бабочек и некоторых других насекомых зависят от того, как сочетаются слои разных микроструктур. Такие цвета способствуют ухаживанию и могут влиять на способность избегать хищников. В более крупных масштабах физика по-прежнему лежит в основе даже самых простых движений животных, которые требуют сложной координации электрических и химических сигналов внутри тела, а также между телом и мозгом. А для успешного движения внутренняя физика должна согласовываться с физическими свойствами окружающей среды. Например, движение в жидкости определяется не только телом, но и свойствами жидкости. В воде плавающие существа используют разные стратегии движения в зависимости от различных факторов, включая форму их тела. Например, рыбы с тонким телом в основном передвигаются за счет движения туловища и хвоста из стороны в сторону. Рыбы других форм генерируют движение плавниками. Однако физические методы описания этих стратегий не могут легко объяснить турбулентность и водовороты. Расчет ожидаемого поведения в таких ситуациях может превысить доступные вычислительные мощности. Поэтому ученые обратились к реальным экспериментам. Одно из таких исследований дало ключ к разгадке особых способностей форели: вода, протекающая мимо цилиндра, создавала вихрь, который позволял даже мертвой форели плыть вверх по течению. Гнезда и сооружения Эволюция наделила животных навыками передвижения, адаптированными к существующей среде, без необходимости использовать инструкции. Но изменение окружающей среды в интересах животных требует более глубоких физических познаний. От муравьев и ос до барсуков и бобров — различные существа научились строить гнезда, укрытия и другие сооружения для защиты от угроз. Например, птичьи гнезда должны состоять из веток, листьев, земли и травы, чтобы конструкция обладала надежной устойчивостью и механической целостностью. Птицы, очевидно, знают, что гибкие ветки обеспечивают лучшую устойчивость, чем жесткие. Физические эксперименты показали, что при изгибе более эластичных материалов возникают силы трения, которые помогают удерживать гнездо вместе. Ризер и ее коллеги считают, что эти знания могут пригодиться ученым для разработки новых метаматериалов для различных целей. Сооружения, созданные животными, также должны подчиняться законам физики, чтобы поддерживать температуру, влажность и вентиляцию в комфортных пределах. Например, луговые собачки строят обширные норы с множеством отверстий. Физический анализ показал, что эти отверстия должны различаться по высоте для надлежащей вентиляции (это происходит за счет разницы давления, обеспечивающего поток воздуха). Грызуны, как и коты, которые приземляются на лапы, узнали это сами. У животных есть много и других трюков, которые сами ученые пока не могут полностью объяснить. Дальнейшие исследования существ помогут открыть новые физические законы поведения, которые на данный момент известны только природе. По материалам статьи «Animals use physics? Let us count the ways» Knowable Magazine