동물은 물리학을 사용합니까? 방법을 세어보자

아이작 뉴턴이 고양이만 연구했다면 운동법칙을 발견하지 못했을 것입니다.

고양이를 뱃속에 짊어지고 2층 창문에서 떨어뜨린다고 가정해 보세요. 고양이가 물질의 운동에 대한 뉴턴의 법칙을 따르는 단순한 기계 시스템이라면 등을 대고 착지해야 합니다. (알겠습니다. 진공 상태에서 수행해야 하는 것과 같은 몇 가지 기술적 사항이 있지만 지금은 무시하세요.) 대신, 대부분의 고양이는 일반적으로 발로 착지하기 위해 몸을 비틀어 부상을 피합니다.

대부분의 사람들은 이 트릭에 놀라지 않습니다. 모두가 고양이의 곡예 능력을 증명하는 비디오를 본 적이 있을 것입니다. 그러나 100년이 넘도록 과학자들은 고양이가 어떻게 행동하는지에 대한 물리학에 대해 궁금해해 왔습니다. 분명히 고양이의 추락을 기계적인 시스템으로 분석하는 수학적 이론은 정확할 수 없다. 살아있는 고양이의 실패노벨상 수상자 Frank Wilszek이 최근 논문에서 지적한 바와 같습니다.

MIT의 이론 물리학자인 Wilczek은 “이 이론은 실제 생물학적 고양이에는 적용되지 않습니다.”라고 썼습니다. 이는 폐쇄형 기계 시스템이 아니며 “저장된 에너지를 소비하고 기계적인 움직임을 가능하게” 할 수 있습니다.

그러나 물리학 법칙은 고양이뿐만 아니라 곤충부터 코끼리까지 다른 모든 동물 종에도 적용됩니다. 사실 생물학은 물리학을 피하지 않습니다. 오히려 그는 그녀를 포옹합니다. 미세한 규모의 마찰부터 물과 공기의 유체 역학에 이르기까지 동물은 물리 법칙을 활용하여 달리고, 수영하고, 날 수 있습니다. 호흡부터 피난처 건설까지 동물 행동의 다른 모든 측면은 어떤 방식으로든 물리학이 부과하는 제약과 물리학이 허용하는 기회에 따라 달라집니다.

“유기체는…다양한 길이 규모와 시간 규모에 걸쳐 물리학에 의해 행동이 제약되는 시스템입니다.”라고 Jennifer Reeser와 그녀의 동료들은 저널 최신호에 썼습니다. 응집물질 물리학의 연례 검토.

동물 행동 물리학 분야는 아직 초기 단계에 있지만, 개인의 행동을 설명하고 이러한 행동이 다른 개인 및 환경과의 상호 작용에 의해 어떻게 형성되는지 설명하는 데 상당한 진전이 이루어졌습니다. 동물이 다양한 기술을 수행하는 방법에 대해 더 많이 발견하는 것 외에도 이러한 연구는 과학자들이 아직 이해하지 못하는 동물의 능력을 면밀히 조사하여 얻은 새로운 물리적 지식으로 이어질 수도 있습니다.

움직이는 생물

움직이는 동물의 물리학은 광범위한 공간 규모에 적용됩니다. 스펙트럼의 가장 작은 끝에서 근처 원자 사이의 인력은 도마뱀붙이와 일부 곤충이 벽을 오르거나 심지어 천장을 걷는 능력을 촉진합니다. 약간 더 큰 규모에서 질감과 접착 구조는 다른 생물학적 체조를 제공합니다. 예를 들어, 새 깃털의 작은 갈고리와 가시는 벨크로처럼 작용하여 비행 중에 깃털을 제 위치에 고정하여 양력을 향상시킨다고 Reiser와 그의 동료들은 보고합니다.

또한 생물학적 질감은 동물 부위와 표면 사이의 마찰을 촉진하여 움직임을 돕습니다. 캘리포니아 왕뱀의 비늘은 빠르게 앞으로 활공할 수 있는 질감을 가지고 있지만 마찰이 증가하여 뒤로 또는 옆으로의 움직임을 지연시킵니다. 최근 연구에 따르면 옆으로 움직이는 일부 뱀은 움직이는 방향의 마찰을 줄이는 다양한 질감을 분명히 진화시켰습니다.

작은 크기의 구조물도 동물과 물의 상호작용에 중요한 역할을 합니다. 많은 동물의 경우, 작은 구조로 인해 몸이 “초소수성”이 됩니다. 즉, 물이 침투하는 것을 방지할 수 있습니다. 에모리 대학의 Risser와 공동 저자인 Chantal Nguyen, Orit Peleg 및 Calvin Riska는 “습한 기후에서 물방울이 떨어지는 것은 새나 날아다니는 곤충과 같은 동물의 경우 무게와 안정성이 중요한 경우 필요할 수 있습니다.”라고 지적합니다.

물을 차단하는 표면은 동물이 피부를 깨끗하게 유지하는 데에도 도움이 됩니다. 연례 리뷰의 저자는 “이러한 자가 청소 메커니즘은 피부로 전염되는 기생충 및 기타 전염병과 같은 위험으로부터 동물을 보호하는 데 중요할 수 있습니다.”라고 설명합니다. 어떤 경우에는 위장을 강화하는 표면 특성을 유지하기 위해 동물 표면에서 이물질을 제거해야 할 수도 있습니다.