Zaskakujące sposoby, jak zwierzęta wykorzystują prawa fizyki
Spadające koty fascynują naukowców już od setek lat – mówi się nawet, że Newton nigdy odkryłby praw dynamiki, gdyby obserwował wyłącznie akrobacje poczciwych dachowców. Ale również wiele innych gatunków zwierząt wykorzystuje, nadużywa, a czasem nawet przeczy prawom fizyki, zawstydzając powolnych, mało zwinnych i generalnie dość niezręcznych ludzi.
Fizyka zachowań zwierzęcych to gałąź nauki, która jest jeszcze w powijakach. Mimo to niestrudzonym badaczom udało się już wyjaśnić niejedną fascynującą umiejętność, która odróżnia poszczególne gatunki od, ogólnie rzecz biorąc, mało utalentowanego człowieka.
Jaszczurka na suficie
Każdy, kto widział kiedyś jaszczurkę biegającą beztrosko po suficie, musi zadawać sobie pytanie, jak to możliwe, wziąwszy pod uwagę wszechobecną grawitację. I na to pytanie fizycy mają bardzo konkretną odpowiedź: chodzi tzw. siły van der Waalsa, czyli specjalne oddziaływania międzycząsteczkowe. Otóż niektóre jaszczurki, np. gekony, mają na stopach mikroskopijne włoski, których atomy posiadają niesparowane elektrony i tym samym generują ujemny ładunek elektryczny. Oddziałują one na siebie wzajemnie z ujemnymi cząsteczkami w podłożu, a wskutek tego obustronnego odpychania powstaje dodatni ładunek, który „przyciąga” jaszczurkę do sufitu.
Jako ciekawostkę dodajmy, że żadna jaszczurka nie zdołała jeszcze przejść po suficie pokrytym warstwą politetrafluoroetylenu (PTFE), czyli teflonu. Tworzywo to nie poddaje się fizycznym sztuczkom gadów.
Jaszczurki potrafią poruszać się po dowolnie nachylonych powierzchniach, fot. jodiesmithdesigns/envato
Koty zawsze spadają na cztery łapy
Gdy wziąć kota w ręce, obrócić brzuchem do góry i spuścić w dół, zwierzę zawsze obróci się w powietrzu tak, aby spadło na przysłowiowe cztery łapy. Fenomen ten poniekąd przeczy prawom Newtona, więc trudno się dziwić, że napisano już o nim niejeden traktat, a biedne koty w ramach eksperymentów wyrzucano w powietrze na setki sposobów, również w próżni. Nawet laureat nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Frank Wilczek, zajmował się obszernie sprawą kotów i w swojej publikacji pt. „Wolna wola i spadające koty” jasno stwierdził, że „prawdziwych, biologicznych kotów” nie można traktować jako zamknięte układy mechaniczne w rozumieniu dynamiki Newtona. Mruczące zwierzaki ratuje ponoć nagromadzona w ich wnętrzu energia oraz niezwykle giętki kręgosłup, który wygina się jednocześnie w dwóch płaszczyznach.
Koty zawsze spadają na cztery łapy, fot. alexEMV/envato
Ruchem węża
Nie ma nóg ani rąk, a mimo to jest zręczniejszy niż człowiek czy stonoga. Mechanika ruchu węży to kolejny fascynujący temat dla szerokiego świata nauki. Wiemy już dziś, że niezwykle giętkie kręgosłupy w połączeniu z setkami ostro zagiętych żeber tworzą system, który generuje aż cztery różne metody poruszania się. Najczęściej obserwowany, tzw. ruch falisty boczny wyginający ciało gada w literę „S” polega na odpychaniu się od nieregularności terenu i generowaniu napędu w przód dzięki sile tarcia. Ale węże potrafią też kotwiczyć przednie części swojego ciała i podciągać tylne, a także wyrzucać swoje ciało w górę i na boki, pozostawiając za sobą charakterystyczne fale na piasku.
Węże poruszają się wykorzystując nierówności terenu do odpychania się w boki i do przodu, fot. TonyTheTigersSon/envato
Ptasie pióra… na rzep?
Spróbujmy wyobrazić sobie głowę pełną włosów albo bukiet traw latający w powietrzu – chaos strukturalny jest gwarantowany. Dlaczego więc pióra, lekkie i delikatne, nie mierzwią się ptakom w locie? I nad tym problemem spędzono już niejeden dzień i noc, a rozwiązanie okazało się proste i genialne, jak to w przyrodzie bywa. Otóż pogłębione analizy z wykorzystaniem ultra jasnego promieniowania X dowiodły, że wszystkie ptasie pióra wyposażone są w mikroskopijne struktury przypominające haczyki. W czasie lotu zazębiają się one ciasno na zasadzie rzepu, tworząc powierzchnię, która wytrzyma nawet ogromny pęd powietrza. Gdy ptak wyląduje i złoży skrzydła, pióra na nowo się „odczepiają” i ptak może je dowolnie stroszyć.
W czasie lotu pióra na ptasich skrzydłach łączą się ze sobą za pomocą mikroskopijnych haczyków, fot. envato
Samoczyszcząca się skóra gekona
Czy ktoś widział kiedyś brudną jaszczurkę? Nie, chociaż przemierza ona szczeliny, dziury w piachu, kałuże i zarośla. Jak to możliwe, że człowiek bywa tak umorusany, a gekon jest zawsze piękny i błyszczący? Odpowiedzią jest superhydrofobowa skóra, którą posiada więcej gatunków zwierząt, w tym różne owady. Mowa o powierzchni, którą cząsteczki wody dotykają pod kątem większym niż 150°, a w rezultacie nie mogą się na niej utrzymać.
Według naukowców jest to jedno z ciekawszych osiągnięć ewolucyjnych, które chroni jaszczurki również przed licznymi w glebie patogenami chorobotwórczymi. Specjalna struktura łusek umożliwia łatwe pozbywanie się najmniejszych kropelek wody, a wraz z nimi wszelkich zanieczyszczeń. To bardzo ważne nie tylko ze względów higienicznych, ale również sztuki kamuflażu.
Zielony gekon – jaszczurka posiada superhydrofobową skórę, fot. pawopa3336/envato
Różne barwy motyla
Choć nie są kameleonami, motyle przy bliższej obserwacji wydają się skutecznie zmieniać kolory swoich skrzydeł. Ten fascynujący efekt również jest wynikiem zmyślnego wykorzystania praw fizyki i wbrew pozorom nie jest związany wyłącznie z pigmentem. Strukturalne barwy na motylich skrzydłach wynikają z pokrywających je mikroskopijnych łusek, które odbijają i rozpraszają światło, wykorzystując również zjawisko opalizacji. Owe łuski ułożone są w przemyślny sposób, dwoma a nawet trzema warstwami, miejscami tworząc łuki i kolumny. W rezultacie, gdy promień słońca pada na skrzydło, jego część odbija się natychmiast, a część zagłębia się dalej i odbija dopiero z niższego poziomu, dając inną barwę. Mechanizm ten nie służy bynajmniej budzeniu zachwytu u ludzi, ale odstraszaniu głodnych drapieżników.
Zbliżenie na strukturę motylego skrzydła, fot. Studio_OMG/envato
Pstrąg pod prąd
Sposób, w jaki poruszają się ryby, jest dalszym fenomenem pilnie badanym przez naukowców. Wiemy już, że węższe gatunki wykorzystują przede wszystkim silne mięśnie tułowia, dzięki którym zginają się do boków i tym samym posyłają ciało do przodu. W jaki sposób pstrągi pokonują jednak dziesiątki kilometrów pod prąd? Zagadkę tą badano wykorzystując specjalne symulatory i mikroskopijne cząsteczki proszku podświetlane w wodzie przez laser.
Okazało się, że w przeciwieństwie do ludzi rybom o wiele łatwiej pływa się w burzliwej wodzie, gdzie wystarczy lekko manewrować ogonem, aby odpychać się od turbulencji w wybranym kierunku. Pstrągi w strumieniach w rzeczywistości oszczędzają energię i płyną znacznie sprawniej niż w stojącej wodzie! Tłumaczy to, dlaczego wiele gatunków ryb preferuje pływać w ławicach.
Łososie wędrujące na tarło na rzece Venta w Łotwie, fot. akophotography/envato
Czemu kangury skaczą?
Załóżmy, że mamy do przejścia 1 km – niby nie dużo, ale gdybyśmy próbowali całą drogę skakać obunóż, padlibyśmy ze zmęczenia po 10 metrach. Dlaczego więc kangury wybrały sobie ten mało efektywny sposób przemieszczania się? Wszystko to oczywiście skutek doskonałej adaptacji. Przodkowie kangurów przed 30 mln lat zeszli z drzew i okazało się, że mają zbyt duże stopy, aby wygodnie chodzić lub biegać. Wykorzystanie długich ścięgien w stopach kończyn tylnych pozwoliło jednak uzyskać efekt sprężyny, która generuje ogromną energię kinetyczną. W rezultacie kangury skaczą niemal bez wysiłku, a dodatkowo hopsanie w górę i w dół mechanicznie pompuje ich płuca, oszczędzając energię wymaganą do aktywnego wdychania i wydychania powietrza. Kangur nie tylko więc skacze łatwo, ale i bez zadyszki!
Kangury wydatkują bardzo niewiele energii podczas skoków, fot. crew_street/envato
Gniazdo nie do ruszenia
Rozumienie praw fizyki przez zwierzęta przekłada się również na budowanie siedzib. Ptasie gniazda znane są z tego, że potrafią utrzymać się na nękanych wiatrem gałęziach drzew i pozostają niewzruszone mimo upływu czasu. Okazuje się, że kluczem do sukcesu jest wykorzystanie odpowiednio giętkich materiałów i ich stosowne zaplatanie. Stabilnością i mechaniką gniazd zajmują się całe grupy naukowców usiłujących przełożyć podpatrzone w przyrodzie rozwiązania na praktyczne zastosowania w budownictwie.
Ptasie gniazda zaskakują stabilnością i trwałością, fot. dpreezg/envato
Wentylacja u piesków preriowych
Niełatwo jest też wyobrazić sobie mieszkanie w dziurze wykopanej w ziemi. Ale i tutaj Matka Natura ma przygotowała niespodziankę. Naukowcy studiujący zwyczaje piesków preriowych doszli do wniosku, że ich podziemne domy są zaskakująco dobrze wentylowane. Jak to możliwe? Sprytne gryzonie umieszczają otwory wejściowe do swoich kryjówek na różnych wysokościach wykorzystując różnice w ciśnieniu powietrza jako mechanizm napędzający wymianę powietrza.
Również inne gatunki „grzebiących” zwierząt, od gryzoni po jaszczurki i owady, wydają się doskonale rozumieć prawa fizyki i budują swe siedziby, zmieniając ich głębokość i rozmiary w zależności od aktualnych warunków. Niczym doświadczeni inżynierowie wykorzystują przy tym m.in. porowatość ziemi i geometrię nor. Wydaje się, że nie jednego możemy się jeszcze od nich nauczyć!
Pieski preriowe budują zmyślne systemy wentylowanych nor w ziemi, fot. Maxim8609/envato
- “How animals use physics” Tom Siegfried, https://www.popsci.com/science/how-animals-use-physics/, 13/08/2024;
- “Free Will and Falling Cats” Frank Wilczek, https://arxiv.org/html/2405.04565v1, 13/08/2024;
- ”The Physics of Animal Behavior: Form, Function, and Interactions” Calvin A. Riiska i in., https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-conmatphys-040821-120442, 13/08/2024;
- “What is the reptilian skill that allows lizards to walk upside down?” Hilary Shaw, https://www.newscientist.com/lastword/mg24632811-600-what-is-the-reptilian-skill-that-allows-lizards-to-walk-upside-down, 13/08/2024;
- “How do snakes move?” Sarah McPherson, https://www.discoverwildlife.com/animal-facts/reptiles/how-do-snakes-move, 13/08/2024;
- “Hooks on the feathers stick together: Visualizing how birds form continuous wings in flight” Andre Salles, https://www.anl.gov/article/hooks-on-the-feathers-stick-together-visualizing-how-birds-form-continuous-wings-in-flight, 13/08/2024;
Bardzo ciekawy artykuł. Dziekuje za dawkę informacji