هل تستخدم الحيوانات الفيزياء؟ دعونا نحصي الطرق

لم يكن إسحاق نيوتن ليكتشف قوانين الحركة لو كان قد درس القطط فقط.

لنفترض أنك تحمل قطة على بطنها ثم تسقطها من نافذة في الطابق الثاني. إذا كانت القطة مجرد نظام ميكانيكي يطيع قواعد نيوتن للمادة في الحركة، فيجب أن تهبط على ظهرها. (حسنًا، هناك بعض التفاصيل الفنية – مثل أنه يجب القيام بذلك في الفراغ، لكن تجاهل ذلك الآن). بدلاً من ذلك، تتجنب معظم القطط الإصابة عادةً عن طريق التواء نفسها في طريقها إلى الأسفل للهبوط على أقدامها.

لا يندهش أغلب الناس من هذه الخدعة ـ فقد شاهد الجميع مقاطع فيديو تشهد على براعة القطط البهلوانية. ولكن لأكثر من قرن من الزمان، ظل العلماء يتساءلون عن الفيزياء التي تحكم كيفية قيام القطط بذلك. ومن الواضح أن النظرية الرياضية التي تحلل سقوط القطة كنظام ميكانيكي لا يمكن أن تكون صحيحة. فشل للقطط الحيةكما يشير الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلسزيك في ورقة بحثية حديثة.

ويكتب ويلكزيك، وهو عالم فيزياء نظرية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “هذه النظرية لا تنطبق على القطط البيولوجية الحقيقية”. فهي ليست أنظمة ميكانيكية مغلقة، ويمكنها “استهلاك الطاقة المخزنة … وتمكين الحركة الميكانيكية”.

ولكن قوانين الفيزياء تنطبق على القطط ـ فضلاً عن كل أنواع الحيوانات الأخرى، من الحشرات إلى الأفيال. والواقع أن علم الأحياء لا يتجنب الفيزياء؛ بل إنه يحتضنها. فمن 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 أو بأخرى على القيود التي تفرضها الفيزياء، والفرص التي تسمح بها.

“الكائنات الحية هي … أنظمة تكون أفعالها مقيدة بالفيزياء عبر مقاييس طول ومقاييس زمنية متعددة”، كما كتبت جينيفر ريزر وزملاؤها في العدد الحالي من مجلة المراجعة السنوية لفيزياء المادة المكثفة.

في حين أن مجال فيزياء سلوك الحيوان لا يزال في مهده، فقد تم تحقيق 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 هذه الأبحاث قد تؤدي أيضًا إلى معرفة فيزيائية جديدة يتم اكتسابها من خلال التدقيق في قدرات الحيوانات التي لا يفهمها العلماء بعد.

المخلوقات في الحركة

تنطبق الفيزياء على الحيوانات أثناء الحركة على نطاق واسع من المقاييس المكانية. ففي أصغر طرف من النطاق، تعمل قوى الجذب بين الذرات القريبة على تسهيل قدرة الوزغ وبعض الحشرات على تسلق الجدران أو حتى المشي على الأسقف. وعلى نطاق أكبر قليلاً، توفر القوام والهياكل الالتصاق لجمباز بيولوجي آخر. ففي ريش الطيور، على سبيل المثال، تعمل الخطافات والأشواك الصغيرة مثل الفيلكرو، حيث تثبت الريش في موضعه لتعزيز الرفع أثناء الطيران، كما أفاد ريزر وزملاؤه.

كما تساعد القوام البيولوجية على الحركة من خلال تسهيل الاحتكاك بين أجزاء الحيوان والأسطح. تمتلك قشور الثعابين الملكية الكاليفورنية قوامًا يسمح لها بالانزلاق السريع للأمام، ولكنها تزيد من الاحتكاك لتأخير الحركة للخلف أو الجانب. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن بعض الثعابين التي تتحرك جانبيًا قد طورت على ما يبدو قوامًا مختلفًا يقلل من الاحتكاك في اتجاه الحركة.

وتلعب الهياكل الصغيرة الحجم أيضاً دوراً مهماً في تفاعل الحيوانات مع الماء. فبالنسبة للعديد من الحيوانات، تجعل الهياكل الدقيقة الجسم “نافراً للغاية من الماء” ـ أي قادراً على منع تغلغل الماء. ويشير ريسر من جامعة إيموري والمؤلفون المشاركون شانتال نجوين وأوريت بيليج وكالفن رييسكا إلى أن “تساقط قطرات الماء في المناخات الرطبة قد يكون ضرورياً في الحيوانات، مثل الطيور والحشرات الطائرة، حيث يشكل الوزن والاستقرار أهمية بالغة”.

وتساعد الأسطح التي تحجب المياه الحيوانات أيضًا على الحفاظ على نظافة جلودها. ويوضح مؤلفو المراجعة السنوية: “يمكن أن تكون آلية التنظيف الذاتي هذه مهمة للمساعدة في حماية الحيوان من المخاطر مثل الطفيليات التي تنتقل عبر الجلد وغيرها من الأمراض المعدية”. وفي بعض الحالات، قد يكون إزالة المواد الغريبة من سطح الحيوان ضروريًا للحفاظ على خصائص السطح التي تعزز التمويه.