如果艾薩克·牛頓只研究貓，他永遠不會發現運動定律。
假設你抱著一隻貓，腹部朝上，然後從二樓的窗戶把它扔下去。如果貓只是一個遵循牛頓運動定律的機械系統，它應該背部著地。（好吧，有一些技術細節——比如這應該在真空中完成，但現在忽略它。）然而，大多數貓通常會透過在下落過程中扭轉身體來避免受傷，從而腳先著地。
大多數人對這個技巧並不感到神秘——每個人都看過證明貓科動物雜技技巧的影片。但一個多世紀以來，科學家們一直在思考貓是如何做到這一點的物理原理。諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾切克在最近的一篇論文中指出，顯然，將墜落的貓分析為機械系統的數學定理對活貓無效。
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“這個定理與真正的生物學意義上的貓無關，”麻省理工學院的理論物理學家威爾切克寫道。它們不是封閉的機械系統，可以“消耗儲存的能量……從而增強機械運動。”
然而，物理定律確實適用於貓——以及從昆蟲到大象的每一種動物。生物學並沒有迴避物理學；而是擁抱它。從微觀尺度的摩擦力到水和空氣中的流體動力學，動物都在利用物理定律來奔跑、游泳或飛行。從呼吸到建造住所，動物行為的方方面面都在某種程度上取決於物理學施加的限制和允許的機會。
詹妮弗·裡瑟和合著者在最新一期的《年度凝聚態物理評論》中寫道：“生物有機體……是其行為受到跨越多個長度尺度和時間尺度的物理學約束的系統。”
雖然動物行為物理學領域仍處於起步階段，但在解釋個體行為以及這些行為如何透過與其他個體和環境的相互作用而形成方面，已取得了重大進展。除了更多地瞭解動物如何執行其各種技能外，此類研究還可能透過仔細研究科學家尚未理解的動物能力來獲得新的物理知識。
運動中的生物
物理學適用於各種空間尺度上運動的動物。在範圍的最小端，附近原子之間的吸引力有助於壁虎和一些昆蟲爬牆甚至在天花板上行走。在稍大的尺度上，紋理和結構為其他生物體操提供了附著力。例如，在鳥類的羽毛中，微小的鉤子和倒鉤就像尼龍搭扣一樣，將羽毛固定在適當的位置，以增強飛行時的升力，裡瑟和同事報告說。
生物紋理還有助於運動，因為它促進了動物身體部位和表面之間的摩擦。加州王蛇身上的鱗片具有紋理，可以實現快速向前滑動，但會增加摩擦以減緩向後或側向運動。最近的研究表明，一些側向蜿蜒的蛇類顯然進化出了不同的紋理，以減少運動方向上的摩擦。
小規模結構對於動物與水的相互作用也很重要。對於許多動物來說，微觀結構使身體具有“超疏水性”——能夠阻止水的滲透。“在潮溼的氣候中，對於飛行鳥類和昆蟲等動物來說，水滴脫落可能至關重要，因為重量和穩定性至關重要，”埃默裡大學的裡瑟以及合著者香塔爾·阮、奧裡特·佩萊格和卡爾文·里斯卡指出。
防水錶面還有助於動物保持皮膚清潔。“這種自清潔機制……對於幫助保護動物免受皮膚寄生蟲和其他感染等危險非常重要，”《年度評論》的作者解釋道。在某些情況下，去除動物表面上的異物對於保持增強偽裝的表面特性可能是必要的。
事實上，光與動物表面相互作用的物理學與許多其他行為有關。鮮豔的顏色以及鳥類、蝴蝶和一些其他昆蟲的虹彩取決於不同微觀結構層的組合方式。這些顏色有助於求偶，並可能影響躲避捕食者的能力。
在更大的尺度上，物理學仍然是即使是最簡單的動物運動的基礎，這需要在體內以及身體和大腦之間複雜地協調電訊號和化學訊號。為了成功的運動，內部物理學必須與環境的物理特性相協調。例如，在流體中運動不僅受身體的控制，還受液體的性質控制。
在水中，游泳動物根據各種因素（包括身體形狀）採用不同的運動策略。例如，身體細長的魚類基本上是透過身體和尾巴的左右運動來推進自身的。許多其他體形的魚類透過移動鰭來產生運動。
描述這些策略的物理方法很難解釋湍流和漩渦等因素。計算這種情況下的預期行為可能會超出可用的計算能力。因此，科學家們轉向了實際實驗。一項這樣的研究為鱒魚的一種特殊能力提供了線索；流過圓柱體的水流產生渦流，即使是死鱒魚也能逆流而上。
動物組裝
進化為動物提供了適應現有環境的運動技能，而無需任何使用手冊。但是，為了動物的利益而改變環境需要更復雜的物理知識。從螞蟻和黃蜂到獾和海狸，各種動物都學會了如何建造巢穴、住所和其他結構，以保護自己免受環境威脅。
例如，鳥巢必須將樹枝、樹葉、泥土和草組合成一個具有可靠穩定性和機械完整性的結構。鳥類顯然知道，柔韌的樹枝或細枝比剛性的杆提供更好的穩定性；物理實驗表明，更柔韌材料的彎曲能夠產生摩擦力，從而有助於將鳥巢固定在一起。裡瑟和同事懷疑，應用更多關於組裝鳥巢元件的鳥類知識可能有助於科學家設計用於各種用途的新型超材料。
動物結構還必須遵守控制溫度、溼度和通風在舒適範圍內的物理原理。“例如，如果沒有足夠的空氣交換，動物將會窒息，”裡瑟和同事寫道。
例如，草原犬鼠建造了帶有多個開口的大型洞穴。物理分析表明，這些開口在海拔高度上應該有所不同，以提供適當的通風（透過引起氣流的壓力差）。實地研究表明，草原犬鼠工程師已經自己弄清楚了這一點——就像貓弄清楚瞭如何在墜落時扭轉和改變身體形狀一樣。
毫無疑問，動物還有許多其他物理學家自己還無法完全解釋的技巧，這就是為什麼動物行為物理學領域如此肥沃的原因。
裡瑟和同事寫道：“從物理學的角度進一步研究動物行為的許多方面，將……有助於發現自然界已經弄清楚但我們尚未發現或完全理解的新的行為物理定律。”
本文最初發表於Knowable Magazine，這是一個來自 Annual Reviews 的獨立新聞專案。註冊新聞通訊。