Isaac Newton zou de bewegingswetten nooit hebben ontdekt als hij alleen katten had bestudeerd.
Stel dat je een kat met zijn buik vasthoudt en hem uit een raam op de tweede verdieping gooit. Als de kat eenvoudigweg een mechanisch systeem is dat de wetten van Newton over bewegende materie gehoorzaamt, zou hij op zijn rug moeten landen. (Oké, er zijn enkele technische details, zoals dit zou in een vacuüm moeten werken, maar negeer dat voorlopig.) In plaats daarvan hebben de meeste katten de neiging om verwondingen te vermijden door zich onderweg naar beneden te draaien en op hun voeten te landen.
De meeste mensen zijn niet in de war door deze truc – iedereen heeft de video’s gezien die getuigen van de acrobatische vaardigheden van katten. Maar al meer dan een eeuw vragen wetenschappers zich af hoe katten het doen. Het is duidelijk dat de wiskundige stelling die een vallende kat analyseert als een mechanisch systeem faalt voor levende katten, zoals Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in een recent artikel opmerkt.
“Deze stelling is niet relevant voor echte biologische katten”, schrijft Wilczek, een theoretisch natuurkundige aan het MIT. Het zijn geen gesloten mechanische systemen en kunnen “opgeslagen energie verbruiken… die mechanische beweging aandrijft”.
De wetten van de natuurkunde zijn echter van toepassing op katten, net als op alle andere soorten dieren, van insecten tot olifanten. De biologie gaat de natuurkunde niet uit de weg; hij accepteert dat. Van wrijving op microscopische schaal tot vloeistofdynamica in water en lucht: dieren gebruiken de wetten van de natuurkunde om te rennen, zwemmen of vliegen. Elk ander aspect van het gedrag van dieren, van ademhalen tot het bouwen van schuilplaatsen, hangt op de een of andere manier af van de beperkingen en mogelijkheden die de natuurkunde toelaat.
“Levende organismen zijn… systemen waarvan de acties worden beperkt door de natuurkunde op meerdere lengteschalen en tijdschalen”, schrijven Jennifer Rieser en coauteurs in de huidige uitgave van de Annual Review of Condensed Matter Physics.
Hoewel het vakgebied van de gedragsfysica van dieren nog in de kinderschoenen staat, is er aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verklaren van individueel gedrag, en bij de manier waarop dat gedrag wordt gevormd door interacties met andere individuen en de omgeving. Naast het ontdekken van meer over hoe dieren hun gevarieerde vaardighedenrepertoire uitvoeren, kan dergelijk onderzoek ook leiden tot nieuwe inzichten in de fysica van dierlijke capaciteiten die wetenschappers nog niet begrijpen.
Dieren in beweging
Natuurkunde wordt toegepast op dieren in actie op een breed scala aan ruimtelijke schalen. Aan de kleinste kant van het bereik vergemakkelijken aantrekkingskrachten tussen nabijgelegen atomen het vermogen van gekko’s en sommige insecten om tegen muren te klimmen of zelfs over plafonds te lopen. Op iets grotere schaal bieden texturen en structuren houvast voor andere biologische gymnastiek. In vogelveren werken kleine haken en weerhaken bijvoorbeeld als klittenband, waardoor de veren op hun plaats worden gehouden om de lift tijdens de vlucht te verbeteren, rapporteren Rieser en collega’s.
Biologische texturen bevorderen ook de beweging door wrijving tussen delen van dieren en oppervlakken te vergemakkelijken. De schubben van Californische koningslangen hebben texturen die snel voorwaarts glijden mogelijk maken, maar verhogen de wrijving om de achterwaartse of zijwaartse beweging te vertragen. Sommige slangen met zijspiralen hebben blijkbaar verschillende texturen ontwikkeld die de wrijving in de bewegingsrichting verminderen, zo blijkt uit recent onderzoek.
Kleine structuren zijn ook belangrijk voor de interactie van dieren met water. Bij veel dieren maken de microstructuren het lichaam ‘superhydrofoob’ – in staat om de penetratie van water te blokkeren. “In vochtige klimaten kan het afstoten van waterdruppels essentieel zijn voor dieren, zoals vliegende vogels en insecten, waar gewicht en stabiliteit van cruciaal belang zijn”, merken Reeser van Emory University en co-auteurs Chantal Nguyen, Orit Peleg en Calvin Riiska op.
Waterblokkerende oppervlakken helpen dieren ook hun huid schoon te houden. “Dit zelfreinigende mechanisme… kan belangrijk zijn om het dier te beschermen tegen gevaren zoals door de huid overgedragen parasieten en andere infecties”, leggen de auteurs van het Annual Review uit. En in sommige gevallen kan het verwijderen van vreemd materiaal van het oppervlak van het dier nodig zijn om de oppervlakte-eigenschappen te behouden die de camouflage bevorderen.