潛水塘鵝的物理學、鳥類導航和疾速虎甲蟲

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珍-呂克·皮康本週在德克薩斯州聖安東尼奧舉行的 APS 三月會議上，這是一項長期以來備受歡迎的會議，並且經常被譽為年度規模最大的物理學會議，涵蓋了廣泛的主題：生物物理學、流體 mechanics、材料（奇異或其他）、複雜系統、量子力學——這是一個酷炫前沿物理學的寶庫。會議內容非常豐富，我們現在才抽出時間來撰寫一些我們最喜歡的會議演講。首先：一組誘人的花絮，深入瞭解了以下現象背後的物理學原理：被稱為塘鵝的海鳥如何在高速深潛中生存；遷徙鳥類用於導航旅程的“內在羅盤”如何工作；以及一個比例控制定律，可以解釋虎甲蟲如何移動以捕食獵物。

深潛。弗吉尼亞理工大學的 Sunny Jung 透露了他和他的同事如何研究塘鵝潛入海中捕食的物理學原理。有些人可能從 Jung 實驗室之前關於狗和貓喝水的物理學研究中認識 Jung 的名字。從物理學的角度來看，潛水鳥本質上是一個撞擊水面的彈性體，但水和空氣這兩種介質在密度方面截然不同。這意味著鳥類必須能夠承受撞擊時的巨大力。“如果你從一種介質移動到另一種介質，但其中一種介質密度大得多，那麼當你從空氣移動到水或反之亦然時，你將感受到巨大的力。這對動物身體來說是一個巨大的壓力，”Jung 說。對於以高達 55 英里/小時的速度撞擊水面尋找水下獵物的塘鵝來說尤其如此，它們通常會這樣做多達 60 次。Jung 說，它們就像“魚雷撞擊水面”。檢視一下

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參加紅牛高空跳水比賽的專業跳水運動員通常從約 50 米的高度跳水，Jung 估計這種跳水的衝擊力約為 5000 牛頓。這非常危險；即使是專業跳水運動員，如果他們沒有以完美姿勢入水，也可能導致腿部骨折或幾節胸椎骨折。那麼塘鵝是如何做到一次又一次地高速潛水而不會受傷的呢？Jung 和他的學生與史密森尼國家自然歷史博物館的研究人員合作，以找出答案。

Jung 等人。設法獲得了一隻已故的塘鵝（“這隻塘鵝已經死了！它是一隻前塘鵝！”珍-呂克咯咯地笑著，總是渴望偷偷地引用蒙提·派森的隨機典故）用於他們研究的第一階段，但屍體太“軟弱”了，無法從高臺上掉入水箱中。因此，他們小心地將塘鵝屍體擺成最佳潛水姿勢並將其冷凍——人造屍僵——然後將冷凍的鳥反覆掉入水箱中。攝像機捕捉到了鳥類運動穿過水麵的衝擊力和力學原理。

這揭示了潛水的三個不同階段。第一階段是鳥類首次撞擊水面時頭部受到的初始衝擊力；這會對動物的長脖子產生輕微的壓縮力，因為向下的重力在一個方向上推壓頸部，而向上的衝擊力在另一個方向上推壓頸部。

第二階段是當頭部完全浸入水中但身體仍在空氣中時。此時，向下的重力拉力變成水產生的阻力，從而對頸部產生非常強烈的壓縮力。（鳥的頸部周圍也會形成一個氣腔。）

第三階段是當動物的整個身體都在水下時，頭部和身體都受到穩定的阻力，因此再次幾乎沒有壓縮力。從潛水的角度來看，危險區域是第二階段。

Jung 的團隊隨後根據死鳥的 CT 掃描（由當地獸醫醫院提供）製作了塘鵝的 3D 列印模型，並重復了實驗。他們還製作了只能被描述為“球形塘鵝”的 3D 列印模型：將生物學現實簡化為一個彈性梁（頸部），前端帶有一個錐體（頭部和喙），後端帶有一個球體（身體），並再次嘗試實驗，改變彈性梁的長度，以及衝擊速度和與水面的衝擊角度。如果物理學家不徹底，那就什麼都不是了。

模型鳥的頸部要麼保持筆直，要麼在撞擊時彎曲，頸部較長的模型鳥更容易彎曲。塘鵝的頸部非常長，佔其體長的一半以上，由 25 根細長的骨頭框架組成。（相比之下，人類的頸部有七塊盤狀骨頭。）Jung 等人。發現訣竅是以足夠慢的速度潛水以確保安全；安全有一個最佳點。如果鳥類潛水速度超過一定速度，它們的頸部就會彎曲。

額外的保護來自鳥喙的形狀以及鳥喙與頭骨的連線方式。“如果鳥的喙非常尖，它可以減少身體受到的力，”Jung 說。此外，頭骨的形狀必須平滑過渡到鳥喙，這樣鳥在捕食時受到的力就會較小，而不是變平。Jung 和他的團隊正在繼續研究潛水塘鵝的物理學原理，著眼於利用他們所學的知識來更好地瞭解人類的潛水力學原理。

動物磁性。牛津大學的彼得·霍爾表示，北極燕鷗每年將飛行超過 40,000 英里以從極地遷徙到極地再返回。但是，當他們不能像我們其他人一樣在谷歌上搜索方向時，他們——以及其他可能進行較短但仍然令人印象深刻的旅程的遷徙鳥類——如何駕馭如此巨大的差異呢？

一種想法涉及注入鐵的奈米顆粒，但霍爾提出了另一個假設的證據：鳥類甚至其他動物都配備了一個靈敏的內部羅盤，該羅盤基於生物分子隱花色素中包含的電子自旋的量子力學特性——隱花色素是一種磁敏感蛋白，已知可以調節植物和動物的晝夜節律。

“我們對遷徙鳥類可能利用磁敏感化學反應來檢測地球磁場方向的可能性很感興趣，”他說。這種化學反應可以在隱花色素中誘導產生，方法是將藍光或綠光照射到分子上。這可以作為蛋白質產生自由基對的觸發器。這些自由基具有對磁場高度敏感的電子自旋——即使是非常微弱的磁場，如地球磁場。“當我們改變磁場的強度時，我們可以改變蛋白質內部這些光化學反應的程序，”霍爾說。

這種內部羅盤非常靈敏，以至於即使磁場中非常細微的干擾也可能使鳥類難以導航，甚至不可能導航，正如霍爾在與亨裡克·莫里森合作在德國奧爾登堡大學進行的行為實驗中發現的那樣，他們將鳥類放置在周圍環繞著磁場的漏斗形木屋中，以測試它們在沒有視覺線索（例如天空中太陽的位置）的情況下的導航能力。但出於某種原因，在這個城市環境中，鳥類無法很好地導航。

霍爾得出的結論是，干擾來自校園內執行的 AM 廣播訊號和電子裝置。只有當研究人員用鋁板覆蓋小屋並將它們接地以阻止問題頻率範圍內除地球靜態磁場之外的所有 EM 噪聲時，鳥類才重新獲得了導航能力。“我們想知道如此微弱的射頻場如何擾亂高等脊椎動物的整個感覺系統的功能，”他說。“我們認為，這很可能為磁羅盤感官的機制或干擾鳥類定向行為的某些重要過程提供關鍵見解。”

霍爾認為，EM 噪聲正在影響隱花色素在量子水平上執行其功能的能力。當自由基最初形成時，它們是糾纏的，因此隱花色素中的自由基對可能具有非凡的能力，可以比之前認為的更長時間地保持其量子相干性。“物理學家們對量子相干性不僅可能發生在活細胞中，而且可能透過進化得到最佳化這一想法感到興奮，”他說。“有可能可以學習到關於如何長時間保持相干性的經驗教訓。”這對於量子計算尤其重要，在量子計算中，退相干是一個長期存在的挑戰。

甲蟲狂熱。最後，讓我們考慮一下腦容量非常小的物種如何仍然能夠執行相當複雜的任務的問題——這可以幫助科學家設計更有效的簡單機器，使其能夠執行類似的複雜任務。羅伯特·諾斯特是康奈爾大學 Z. Jane Wang 實驗室的一名研究生，他報告了他的研究工作，即虎甲蟲如何在捕食者和獵物都在逃竄的情況下，仍然能夠準確評估與獵物的距離。

Wang 的實驗室以研究昆蟲如何飛行而聞名；一個有趣的問題是，它們為什麼朝某些方向飛行。但用 3D 飛行運動來研究它很困難，因此他們選擇研究虎甲蟲在 2D 平面上飛奔——一個標準的“追逐問題”。

虎甲蟲是一種迷人的生物，一種好鬥的獵人，最高速度可達 5 英里/小時——好吧，這聽起來可能不太令人印象深刻，但想想甲蟲有多小。根據與 Wang 實驗室合作進行這項研究的康奈爾大學昆蟲學家科爾·吉爾伯特的說法，這轉化為每秒能夠覆蓋其體長的 120 倍。（相比之下，獵豹每秒覆蓋其體長的 13 倍。）

它太快了，以至於模糊了甲蟲的視力——想想嘗試使用快門速度極慢的相機拍攝任何快速移動的物體——這使得這種生物在捕獵時步態怪異、斷斷續續。“它們的行為真的很有趣，因為它們以小而急促、斷斷續續的動作奔跑，而這不是大多數生物移動的方式，”吉爾伯特去年告訴《康奈爾太陽報》。他與 Wang 的實驗室合作，以找出這種奇怪行為背後的物理學原理。

諾斯特和他在 Wang 實驗室的同事檢查了虎甲蟲追逐“獵物”（在這種情況下，是用繩子懸掛的小黑珠子，充當假受害者）的高速數字影片片段。繪製出所有這些軌跡，你會得到一個看似混亂的亂麻。Wang 等人。發現這種看似隨意瘋狂的背後存在著潛在的方法。

具體來說，甲蟲首先正面衝向獵物，然後在獵物開始“逃跑”時停下來調整其運動。根據諾斯特的說法，這種生物不斷地重新評估其當前軌跡與它在大約半步之前看到獵物的位置之間的角度，並將這種感覺資訊轉化為旋轉速度的感覺——即，確定轉動多少以及向哪個方向轉動才能找到獵物。“即使是一隻小昆蟲也能夠分辨距離，”諾斯特說。這是一種最佳的重新定向舞蹈。

“我們研究的想法是找到動物用來攔截獵物的規律，”Wang去年告訴《康奈爾紀事報》。“我們也會這樣做[攔截]——當試圖接住棒球，或追逐某人時。但由於昆蟲的神經元數量較少，它們的行為更可能是硬連線的，這使我們有可能找到並理解它們遵循的規則。”對於虎甲蟲來說，這似乎是一個比例控制定律的結果：“獵物相對於甲蟲身體軸線的角位置驅動甲蟲的角速度，延遲為 28 毫秒”——大約半步甲蟲大小的步幅。

關於這種生物如何完成這項壯舉的一種理論是運動視差，這是一種在天文學等領域常用的技術。甲蟲的頭部在飛奔時不斷來回擺動，這可能使這種生物能夠從兩個不同的角度關注獵物，然後確定差異。“但星星不會移動，獵物正在奔跑，”諾斯特指出，因此甲蟲也必須以某種方式考慮到這種運動。他說，另一種更可能的理論依賴於視野中的仰角。想象一下一排椅子；最遠的椅子在你的視野中看起來會是最高的。有一些證據表明，虎甲蟲更喜歡較高仰角的獵物。

這些只是物理學家可以從研究生物系統中學到的各種經驗教訓的三個例子。畢竟，大自然是一位非常有才華的工程師，擁有數百萬年的進化試錯經驗。

參考文獻

Engels, S. 等人。(2014) “人為電磁噪聲擾亂遷徙鳥類的磁羅盤定向”，《自然》 509: 353-356。