Isaac Newton nunca habría descubierto las leyes del movimiento si sólo hubiera estudiado a los gatos.
Supongamos que agarras un gato, le pones panza arriba y lo arrojas por la ventana del segundo piso. Si el gato es simplemente un sistema mecánico que obedece las leyes de movimiento de Newton, debería aterrizar boca arriba. (Está bien, hay algunos tecnicismos, como que hay que hacerlo en el vacío, pero ignorémoslo por ahora). En cambio, la mayoría de los gatos suelen evitar lesiones girando las patas a lo largo del camino para pararse.
A la mayoría de la gente no le desconcierta este truco: todo el mundo ha visto vídeos que dan fe de las habilidades acrobáticas de los gatos. Pero durante más de un siglo, los científicos han estado desconcertados sobre la física de cómo lo hacen los gatos. Claramente, la teoría matemática que analiza a los gatos como sistemas mecánicos falla en el caso de los gatos vivos, como señaló el premio Nobel Frank Wilkeske en un artículo reciente.
«Esta teoría no es relevante para los gatos biológicos reales», escribe Wilczak, físico teórico del MIT. No son sistemas mecánicos cerrados y «pueden utilizar energía almacenada… para impulsar el movimiento mecánico».
Sin embargo, las leyes de la física se aplican a los gatos, así como a todos los demás animales, desde insectos hasta elefantes. La biología no evita la física. Lo acepta. Desde la fricción a escala microscópica hasta la dinámica de fluidos en el agua y el aire, los animales explotan las leyes físicas para correr, nadar o volar. Todos los demás aspectos del comportamiento animal, desde la respiración hasta la construcción de refugios, están de alguna manera limitados por las limitaciones impuestas y las oportunidades que permite la física.
«Los organismos vivos son… sistemas cuyos procesos están limitados por la física en muchas escalas de longitud y de tiempo», escriben Jennifer Reiser y sus coautores en el número actual. Revisión anual de la física de la materia condensada.
Si bien el campo de la física del comportamiento animal aún está en sus inicios, se han logrado avances considerables en la explicación del comportamiento individual, así como en cómo estos comportamientos están moldeados por las interacciones con otras personas y el medio ambiente. Además de descubrir más sobre cómo los animales realizan sus diversas habilidades, dicha investigación también puede conducir a nuevos conocimientos de física obtenidos al examinar habilidades animales que los científicos aún no comprenden.
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La física se aplica a animales en acción a grandes escalas espaciales. En el extremo corto del rango, las fuerzas de atracción entre átomos cercanos facilitan la capacidad de los gecos y algunos insectos de trepar paredes o caminar por los techos. En una escala ligeramente mayor, la textura y la estructura proporcionan adhesión a otras gimnasias biológicas. En las plumas de las aves, por ejemplo, pequeños ganchos y púas actúan como velcro, manteniendo las plumas en posición para aumentar la sustentación durante el vuelo, informan Reiser y sus colegas.
Las texturas biológicas también ayudan al movimiento al facilitar la fricción entre las partes y superficies de los animales. Las serpientes reyas de California tienen texturas en las escamas que permiten un rápido movimiento hacia adelante, pero aumentan la fricción para evitar el movimiento hacia atrás o hacia los lados. Algunas serpientes que se mueven lateralmente aparentemente han desarrollado diferentes texturas que reducen la fricción en la dirección del movimiento, según muestra una investigación reciente.
Las estructuras de pequeña escala también son importantes para las interacciones de los animales con el agua. Para muchos animales, las microestructuras hacen que el cuerpo sea «superhidrófobo», capaz de resistir la penetración del agua. «En temporadas pasadas, el desprendimiento de gotas de agua puede ser importante en animales, como aves e insectos voladores, donde el peso y la estabilidad son críticos», señalan Chantal Nguyen, Orit Peleg y Calvin Riiska, investigadores de la Universidad de Emory.
La superficie repelente al agua también ayuda a los animales a mantener su piel limpia. «Este mecanismo de autolimpieza… puede ser importante para ayudar a proteger al animal de amenazas como parásitos transmitidos por la piel y otras infecciones», Revisión anual Los autores explican. Y en algunos casos, puede ser necesario eliminar materiales extraños de la superficie de un animal para preservar las propiedades de la superficie que promueven el rascado.
De hecho, la física de cómo interactúa la luz con la superficie de un animal es relevante para muchos otros comportamientos. En aves, mariposas y algunos otros insectos, el brillo y la coloración dependen de cómo encajan entre sí las capas de diferentes microestructuras. Estos colores contribuyen al cortejo y pueden influir en la capacidad de evitar a los depredadores.
A mayor escala, la física todavía subyace a los movimientos de animales muy simples, que requieren una coordinación compleja de señales eléctricas y químicas dentro del cuerpo y entre el cuerpo y el cerebro. Y para que el movimiento tenga éxito, la física interna debe coincidir con las propiedades físicas del entorno. Por ejemplo, el movimiento a través de un fluido, no sólo por el cuerpo, sino también por las propiedades del líquido.
En el agua, los animales nadadores utilizan diferentes estrategias de locomoción basadas en diversos factores, incluida la forma de su cuerpo. Los peces con cuerpos delgados, por ejemplo, se impulsan principalmente mediante movimientos de lado a lado del cuerpo y la cola. Los peces con muchas otras formas corporales se mueven moviendo sus aletas.
Los métodos físicos para describir estas estrategias no pueden explicar fácilmente factores como la turbulencia y los remolinos. En tales casos, el comportamiento esperado puede exceder la potencia informática disponible. Por eso los científicos han recurrido a experimentos reales. Uno de esos estudios señaló una habilidad especial de la trucha; El agua que fluía sobre un cilindro creó un vórtice que permitía flotar incluso a una trucha muerta.
Asamblea de animales
La evolución ha proporcionado a los animales la capacidad de moverse para adaptarse al entorno actual sin guía manual. Pero cambiar el entorno en beneficio de un animal requiere una comprensión más sofisticada de la física. Desde perros y gatos hasta tejones y castores, una variedad de animales han aprendido a construir nidos, refugios y otras estructuras para protegerse de los peligros ambientales.
Por ejemplo, los nidos de pájaros deben incorporar palos, hojas, barro y pasto en una estructura de estabilidad confiable e integridad mecánica. Al parecer, los pájaros saben que los palos o patas flexibles proporcionan mejor estabilidad que los palos sólidos. Los experimentos de física han demostrado que la flexión de materiales más flexibles genera fuerzas de fricción que ayudan a mantener unida la funda. Reiser y sus colegas sospechan que aplicar más conocimientos sobre aves sobre la combinación de múltiples componentes podría ayudar a los científicos a diseñar metamateriales novedosos para diversos propósitos.
Las estructuras animales deben obedecer la física necesaria para controlar la temperatura, la humedad y la ventilación dentro de límites cómodos. «Sin suficiente intercambio de aire, por ejemplo, los animales se asfixiarán», escriben Reiser y sus colegas.
Los perros de la pradera, por ejemplo, hacen amplias madrigueras con muchas aberturas. Estas aberturas deben diferir en altura, según muestra el análisis físico, para proporcionar una ventilación adecuada (a través de diferencias de presión que aumentan el flujo de aire). La investigación de campo muestra que los ingenieros de los perros de las praderas lo han descubierto por sí mismos, del mismo modo que los gatos descubren cómo doblarse y cambiar la forma del cuerpo al caer.
No hay duda de que existen muchos otros comportamientos en los animales que los propios físicos aún no han podido explicar del todo, razón por la cual el campo de la física del comportamiento animal es tan fértil.
«Una mayor investigación de los muchos aspectos del comportamiento animal desde el punto de vista de la física», escriben Reisser y sus colegas, «a veces… ayudará… al descubrimiento de nuevas leyes físicas para el comportamiento que la naturaleza ha comprendido pero que nosotros aún no hemos entendido». aparente o plenamente comprendido”.
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