如果艾萨克·牛顿只研究猫，他永远不会发现运动定律。
假设你抱着一只猫，腹部朝上，然后从二楼的窗户把它扔下去。如果猫只是一个遵循牛顿运动定律的机械系统，它应该背部着地。（好吧，有一些技术细节——比如这应该在真空中完成，但现在忽略它。）然而，大多数猫通常会通过在下落过程中扭转身体来避免受伤，从而脚先着地。
大多数人对这个技巧并不感到神秘——每个人都看过证明猫科动物杂技技巧的视频。但一个多世纪以来，科学家们一直在思考猫是如何做到这一点的物理原理。诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克在最近的一篇论文中指出，显然，将坠落的猫分析为机械系统的数学定理对活猫无效。
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“这个定理与真正的生物学意义上的猫无关，”麻省理工学院的理论物理学家威尔切克写道。它们不是封闭的机械系统，可以“消耗储存的能量……从而增强机械运动。”
然而，物理定律确实适用于猫——以及从昆虫到大象的每一种动物。生物学并没有回避物理学；而是拥抱它。从微观尺度的摩擦力到水和空气中的流体动力学，动物都在利用物理定律来奔跑、游泳或飞行。从呼吸到建造住所，动物行为的方方面面都在某种程度上取决于物理学施加的限制和允许的机会。
詹妮弗·里瑟和合著者在最新一期的《年度凝聚态物理评论》中写道：“生物有机体……是其行为受到跨越多个长度尺度和时间尺度的物理学约束的系统。”
虽然动物行为物理学领域仍处于起步阶段，但在解释个体行为以及这些行为如何通过与其他个体和环境的相互作用而形成方面，已取得了重大进展。除了更多地了解动物如何执行其各种技能外，此类研究还可能通过仔细研究科学家尚未理解的动物能力来获得新的物理知识。
运动中的生物
物理学适用于各种空间尺度上运动的动物。在范围的最小端，附近原子之间的吸引力有助于壁虎和一些昆虫爬墙甚至在天花板上行走。在稍大的尺度上，纹理和结构为其他生物体操提供了附着力。例如，在鸟类的羽毛中，微小的钩子和倒钩就像尼龙搭扣一样，将羽毛固定在适当的位置，以增强飞行时的升力，里瑟和同事报告说。
生物纹理还有助于运动，因为它促进了动物身体部位和表面之间的摩擦。加州王蛇身上的鳞片具有纹理，可以实现快速向前滑动，但会增加摩擦以减缓向后或侧向运动。最近的研究表明，一些侧向蜿蜒的蛇类显然进化出了不同的纹理，以减少运动方向上的摩擦。
小规模结构对于动物与水的相互作用也很重要。对于许多动物来说，微观结构使身体具有“超疏水性”——能够阻止水的渗透。“在潮湿的气候中，对于飞行鸟类和昆虫等动物来说，水滴脱落可能至关重要，因为重量和稳定性至关重要，”埃默里大学的里瑟以及合著者香塔尔·阮、奥里特·佩莱格和卡尔文·里斯卡指出。
防水表面还有助于动物保持皮肤清洁。“这种自清洁机制……对于帮助保护动物免受皮肤寄生虫和其他感染等危险非常重要，”《年度评论》的作者解释道。在某些情况下，去除动物表面上的异物对于保持增强伪装的表面特性可能是必要的。
事实上，光与动物表面相互作用的物理学与许多其他行为有关。鲜艳的颜色以及鸟类、蝴蝶和一些其他昆虫的虹彩取决于不同微观结构层的组合方式。这些颜色有助于求偶，并可能影响躲避捕食者的能力。
在更大的尺度上，物理学仍然是即使是最简单的动物运动的基础，这需要在体内以及身体和大脑之间复杂地协调电信号和化学信号。为了成功的运动，内部物理学必须与环境的物理特性相协调。例如，在流体中运动不仅受身体的控制，还受液体的性质控制。
在水中，游泳动物根据各种因素（包括身体形状）采用不同的运动策略。例如，身体细长的鱼类基本上是通过身体和尾巴的左右运动来推进自身的。许多其他体形的鱼类通过移动鳍来产生运动。
描述这些策略的物理方法很难解释湍流和漩涡等因素。计算这种情况下的预期行为可能会超出可用的计算能力。因此，科学家们转向了实际实验。一项这样的研究为鳟鱼的一种特殊能力提供了线索；流过圆柱体的水流产生涡流，即使是死鳟鱼也能逆流而上。
动物组装
进化为动物提供了适应现有环境的运动技能，而无需任何使用手册。但是，为了动物的利益而改变环境需要更复杂的物理知识。从蚂蚁和黄蜂到獾和海狸，各种动物都学会了如何建造巢穴、住所和其他结构，以保护自己免受环境威胁。
例如，鸟巢必须将树枝、树叶、泥土和草组合成一个具有可靠稳定性和机械完整性的结构。鸟类显然知道，柔韧的树枝或细枝比刚性的杆提供更好的稳定性；物理实验表明，更柔韧材料的弯曲能够产生摩擦力，从而有助于将鸟巢固定在一起。里瑟和同事怀疑，应用更多关于组装鸟巢组件的鸟类知识可能有助于科学家设计用于各种用途的新型超材料。
动物结构还必须遵守控制温度、湿度和通风在舒适范围内的物理原理。“例如，如果没有足够的空气交换，动物将会窒息，”里瑟和同事写道。
例如，草原犬鼠建造了带有多个开口的大型洞穴。物理分析表明，这些开口在海拔高度上应该有所不同，以提供适当的通风（通过引起气流的压力差）。实地研究表明，草原犬鼠工程师已经自己弄清楚了这一点——就像猫弄清楚了如何在坠落时扭转和改变身体形状一样。
毫无疑问，动物还有许多其他物理学家自己还无法完全解释的技巧，这就是为什么动物行为物理学领域如此肥沃的原因。
里瑟和同事写道：“从物理学的角度进一步研究动物行为的许多方面，将……有助于发现自然界已经弄清楚但我们尚未发现或完全理解的新的行为物理定律。”
本文最初发表于Knowable Magazine，这是一个来自 Annual Reviews 的独立新闻项目。注册新闻通讯。