潜水塘鹅的物理学、鸟类导航和疾速虎甲虫

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

珍-吕克·皮康本周在德克萨斯州圣安东尼奥举行的 APS 三月会议上，这是一项长期以来备受欢迎的会议，并且经常被誉为年度规模最大的物理学会议，涵盖了广泛的主题：生物物理学、流体 mechanics、材料（奇异或其他）、复杂系统、量子力学——这是一个酷炫前沿物理学的宝库。会议内容非常丰富，我们现在才抽出时间来撰写一些我们最喜欢的会议演讲。首先：一组诱人的花絮，深入了解了以下现象背后的物理学原理：被称为塘鹅的海鸟如何在高速深潜中生存；迁徙鸟类用于导航旅程的“内在罗盘”如何工作；以及一个比例控制定律，可以解释虎甲虫如何移动以捕食猎物。

深潜。弗吉尼亚理工大学的 Sunny Jung 透露了他和他的同事如何研究塘鹅潜入海中捕食的物理学原理。有些人可能从 Jung 实验室之前关于狗和猫喝水的物理学研究中认识 Jung 的名字。从物理学的角度来看，潜水鸟本质上是一个撞击水面的弹性体，但水和空气这两种介质在密度方面截然不同。这意味着鸟类必须能够承受撞击时的巨大力。“如果你从一种介质移动到另一种介质，但其中一种介质密度大得多，那么当你从空气移动到水或反之亦然时，你将感受到巨大的力。这对动物身体来说是一个巨大的压力，”Jung 说。对于以高达 55 英里/小时的速度撞击水面寻找水下猎物的塘鹅来说尤其如此，它们通常会这样做多达 60 次。Jung 说，它们就像“鱼雷撞击水面”。查看一下

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参加红牛高空跳水比赛的专业跳水运动员通常从约 50 米的高度跳水，Jung 估计这种跳水的冲击力约为 5000 牛顿。这非常危险；即使是专业跳水运动员，如果他们没有以完美姿势入水，也可能导致腿部骨折或几节胸椎骨折。那么塘鹅是如何做到一次又一次地高速潜水而不会受伤的呢？Jung 和他的学生与史密森尼国家自然历史博物馆的研究人员合作，以找出答案。

Jung 等人。设法获得了一只已故的塘鹅（“这只塘鹅已经死了！它是一只前塘鹅！”珍-吕克咯咯地笑着，总是渴望偷偷地引用蒙提·派森的随机典故）用于他们研究的第一阶段，但尸体太“软弱”了，无法从高台上掉入水箱中。因此，他们小心地将塘鹅尸体摆成最佳潜水姿势并将其冷冻——人造尸僵——然后将冷冻的鸟反复掉入水箱中。摄像机捕捉到了鸟类运动穿过水面的冲击力和力学原理。

这揭示了潜水的三个不同阶段。第一阶段是鸟类首次撞击水面时头部受到的初始冲击力；这会对动物的长脖子产生轻微的压缩力，因为向下的重力在一个方向上推压颈部，而向上的冲击力在另一个方向上推压颈部。

第二阶段是当头部完全浸入水中但身体仍在空气中时。此时，向下的重力拉力变成水产生的阻力，从而对颈部产生非常强烈的压缩力。（鸟的颈部周围也会形成一个气腔。）

第三阶段是当动物的整个身体都在水下时，头部和身体都受到稳定的阻力，因此再次几乎没有压缩力。从潜水的角度来看，危险区域是第二阶段。

Jung 的团队随后根据死鸟的 CT 扫描（由当地兽医医院提供）制作了塘鹅的 3D 打印模型，并重复了实验。他们还制作了只能被描述为“球形塘鹅”的 3D 打印模型：将生物学现实简化为一个弹性梁（颈部），前端带有一个锥体（头部和喙），后端带有一个球体（身体），并再次尝试实验，改变弹性梁的长度，以及冲击速度和与水面的冲击角度。如果物理学家不彻底，那就什么都不是了。

模型鸟的颈部要么保持笔直，要么在撞击时弯曲，颈部较长的模型鸟更容易弯曲。塘鹅的颈部非常长，占其体长的一半以上，由 25 根细长的骨头框架组成。（相比之下，人类的颈部有七块盘状骨头。）Jung 等人。发现诀窍是以足够慢的速度潜水以确保安全；安全有一个最佳点。如果鸟类潜水速度超过一定速度，它们的颈部就会弯曲。

额外的保护来自鸟喙的形状以及鸟喙与头骨的连接方式。“如果鸟的喙非常尖，它可以减少身体受到的力，”Jung 说。此外，头骨的形状必须平滑过渡到鸟喙，这样鸟在捕食时受到的力就会较小，而不是变平。Jung 和他的团队正在继续研究潜水塘鹅的物理学原理，着眼于利用他们所学的知识来更好地了解人类的潜水力学原理。

动物磁性。牛津大学的彼得·霍尔表示，北极燕鸥每年将飞行超过 40,000 英里以从极地迁徙到极地再返回。但是，当他们不能像我们其他人一样在谷歌上搜索方向时，他们——以及其他可能进行较短但仍然令人印象深刻的旅程的迁徙鸟类——如何驾驭如此巨大的差异呢？

一种想法涉及注入铁的纳米颗粒，但霍尔提出了另一个假设的证据：鸟类甚至其他动物都配备了一个灵敏的内部罗盘，该罗盘基于生物分子隐花色素中包含的电子自旋的量子力学特性——隐花色素是一种磁敏感蛋白，已知可以调节植物和动物的昼夜节律。

“我们对迁徙鸟类可能利用磁敏感化学反应来检测地球磁场方向的可能性很感兴趣，”他说。这种化学反应可以在隐花色素中诱导产生，方法是将蓝光或绿光照射到分子上。这可以作为蛋白质产生自由基对的触发器。这些自由基具有对磁场高度敏感的电子自旋——即使是非常微弱的磁场，如地球磁场。“当我们改变磁场的强度时，我们可以改变蛋白质内部这些光化学反应的进程，”霍尔说。

这种内部罗盘非常灵敏，以至于即使磁场中非常细微的干扰也可能使鸟类难以导航，甚至不可能导航，正如霍尔在与亨里克·莫里森合作在德国奥尔登堡大学进行的行为实验中发现的那样，他们将鸟类放置在周围环绕着磁场的漏斗形木屋中，以测试它们在没有视觉线索（例如天空中太阳的位置）的情况下的导航能力。但出于某种原因，在这个城市环境中，鸟类无法很好地导航。

霍尔得出的结论是，干扰来自校园内运行的 AM 广播信号和电子设备。只有当研究人员用铝板覆盖小屋并将它们接地以阻止问题频率范围内除地球静态磁场之外的所有 EM 噪声时，鸟类才重新获得了导航能力。“我们想知道如此微弱的射频场如何扰乱高等脊椎动物的整个感觉系统的功能，”他说。“我们认为，这很可能为磁罗盘感官的机制或干扰鸟类定向行为的某些重要过程提供关键见解。”

霍尔认为，EM 噪声正在影响隐花色素在量子水平上执行其功能的能力。当自由基最初形成时，它们是纠缠的，因此隐花色素中的自由基对可能具有非凡的能力，可以比之前认为的更长时间地保持其量子相干性。“物理学家们对量子相干性不仅可能发生在活细胞中，而且可能通过进化得到优化这一想法感到兴奋，”他说。“有可能可以学习到关于如何长时间保持相干性的经验教训。”这对于量子计算尤其重要，在量子计算中，退相干是一个长期存在的挑战。

甲虫狂热。最后，让我们考虑一下脑容量非常小的物种如何仍然能够执行相当复杂的任务的问题——这可以帮助科学家设计更有效的简单机器，使其能够执行类似的复杂任务。罗伯特·诺斯特是康奈尔大学 Z. Jane Wang 实验室的一名研究生，他报告了他的研究工作，即虎甲虫如何在捕食者和猎物都在逃窜的情况下，仍然能够准确评估与猎物的距离。

Wang 的实验室以研究昆虫如何飞行而闻名；一个有趣的问题是，它们为什么朝某些方向飞行。但用 3D 飞行运动来研究它很困难，因此他们选择研究虎甲虫在 2D 平面上飞奔——一个标准的“追逐问题”。

虎甲虫是一种迷人的生物，一种好斗的猎人，最高速度可达 5 英里/小时——好吧，这听起来可能不太令人印象深刻，但想想甲虫有多小。根据与 Wang 实验室合作进行这项研究的康奈尔大学昆虫学家科尔·吉尔伯特的说法，这转化为每秒能够覆盖其体长的 120 倍。（相比之下，猎豹每秒覆盖其体长的 13 倍。）

它太快了，以至于模糊了甲虫的视力——想想尝试使用快门速度极慢的相机拍摄任何快速移动的物体——这使得这种生物在捕猎时步态怪异、断断续续。“它们的行为真的很有趣，因为它们以小而急促、断断续续的动作奔跑，而这不是大多数生物移动的方式，”吉尔伯特去年告诉《康奈尔太阳报》。他与 Wang 的实验室合作，以找出这种奇怪行为背后的物理学原理。

诺斯特和他在 Wang 实验室的同事检查了虎甲虫追逐“猎物”（在这种情况下，是用绳子悬挂的小黑珠子，充当假受害者）的高速数字视频片段。绘制出所有这些轨迹，你会得到一个看似混乱的乱麻。Wang 等人。发现这种看似随意疯狂的背后存在着潜在的方法。

具体来说，甲虫首先正面冲向猎物，然后在猎物开始“逃跑”时停下来调整其运动。根据诺斯特的说法，这种生物不断地重新评估其当前轨迹与它在大约半步之前看到猎物的位置之间的角度，并将这种感觉信息转化为旋转速度的感觉——即，确定转动多少以及向哪个方向转动才能找到猎物。“即使是一只小昆虫也能够分辨距离，”诺斯特说。这是一种最佳的重新定向舞蹈。

“我们研究的想法是找到动物用来拦截猎物的规律，”Wang去年告诉《康奈尔纪事报》。“我们也会这样做[拦截]——当试图接住棒球，或追逐某人时。但由于昆虫的神经元数量较少，它们的行为更可能是硬连线的，这使我们有可能找到并理解它们遵循的规则。”对于虎甲虫来说，这似乎是一个比例控制定律的结果：“猎物相对于甲虫身体轴线的角位置驱动甲虫的角速度，延迟为 28 毫秒”——大约半步甲虫大小的步幅。

关于这种生物如何完成这项壮举的一种理论是运动视差，这是一种在天文学等领域常用的技术。甲虫的头部在飞奔时不断来回摆动，这可能使这种生物能够从两个不同的角度关注猎物，然后确定差异。“但星星不会移动，猎物正在奔跑，”诺斯特指出，因此甲虫也必须以某种方式考虑到这种运动。他说，另一种更可能的理论依赖于视野中的仰角。想象一下一排椅子；最远的椅子在你的视野中看起来会是最高的。有一些证据表明，虎甲虫更喜欢较高仰角的猎物。

这些只是物理学家可以从研究生物系统中学到的各种经验教训的三个例子。毕竟，大自然是一位非常有才华的工程师，拥有数百万年的进化试错经验。

参考文献

Engels, S. 等人。(2014) “人为电磁噪声扰乱迁徙鸟类的磁罗盘定向”，《自然》 509: 353-356。