Nutzen Tiere die Physik? Zählen wir die Wege

Isaac Newton hätte die Bewegungsgesetze nicht entdeckt, wenn er nur Katzen studiert hätte.

Angenommen, Sie tragen eine Katze auf dem Bauch und lassen sie dann aus einem Fenster im zweiten Stock fallen. Wenn die Katze lediglich ein mechanisches System wäre, das Newtons Regeln für bewegte Materie befolgt, müsste sie auf dem Rücken landen. (Okay, es gibt ein paar technische Details – zum Beispiel, dass es im luftleeren Raum geschehen muss, aber ignorieren Sie das vorerst.) Stattdessen vermeiden die meisten Katzen Verletzungen normalerweise dadurch, dass sie sich auf dem Weg nach unten drehen, um auf den Füßen zu landen.

Die meisten Menschen sind von diesem Trick nicht überrascht – jeder hat Videos gesehen, die die akrobatischen Fähigkeiten von Katzen bezeugen. Doch seit mehr als einem Jahrhundert rätseln Wissenschaftler über die Physik, die hinter der Funktionsweise von Katzen steckt. Offensichtlich kann eine mathematische Theorie, die den Sturz einer Katze als mechanisches System analysiert, nicht korrekt sein. Ausfall für lebende KatzenWie Nobelpreisträger Frank Wilszek in einem aktuellen Artikel betont.

„Diese Theorie gilt nicht für echte biologische Katzen“, schreibt Wilczek, ein theoretischer Physiker am MIT. Sie sind keine geschlossenen mechanischen Systeme und können „gespeicherte Energie verbrauchen … und mechanische Bewegung ermöglichen“.

Aber die Gesetze der Physik gelten für Katzen – wie auch für jede andere Tierart, von Insekten bis zu Elefanten. Tatsächlich kommt die Biologie nicht um die Physik herum; Vielmehr umarmt er sie. Von Reibung auf mikroskopischer Ebene bis hin zur Fluiddynamik in Wasser und Luft nutzen Tiere physikalische Gesetze, um zu rennen, zu schwimmen oder zu fliegen. Jeder andere Aspekt des Verhaltens von Tieren, von der Atmung bis zum Bau von Unterständen, hängt auf die eine oder andere Weise von den durch die Physik auferlegten Einschränkungen und den damit verbundenen Möglichkeiten ab.

„Organismen sind … Systeme, deren Aktionen durch die Physik über mehrere Längen- und Zeitskalen hinweg eingeschränkt werden“, schreiben Jennifer Reeser und ihre Kollegen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Jahresrückblick über die Physik der kondensierten Materie.

Während die Physik des Tierverhaltens noch in den Kinderschuhen steckt, wurden bei der Erklärung individueller Verhaltensweisen und der Frage, wie diese Verhaltensweisen durch Interaktionen mit anderen Individuen und der Umwelt geformt werden, erhebliche Fortschritte erzielt. Abgesehen davon, dass wir mehr darüber erfahren, wie Tiere verschiedene Fähigkeiten ausüben, können solche Forschungen auch zu neuen physikalischen Erkenntnissen führen, die durch die Untersuchung von Fähigkeiten von Tieren gewonnen werden, die Wissenschaftler noch nicht verstehen.

Kreaturen in Bewegung

Die Physik bewegter Tiere gilt für ein breites Spektrum räumlicher Skalen. Am kleinsten Ende des Spektrums erleichtern Anziehungskräfte zwischen benachbarten Atomen die Fähigkeit von Geckos und einigen Insekten, Wände zu erklimmen oder sogar über Decken zu laufen. In etwas größerem Maßstab sorgen die Texturen und Adhäsionsstrukturen für weitere biologische Gymnastik. In Vogelfedern beispielsweise wirken kleine Haken und Stacheln wie Klettverschlüsse und halten die Federn in Position, um den Auftrieb während des Fluges zu erhöhen, berichten Reiser und seine Kollegen.

Biologische Texturen unterstützen auch die Bewegung, indem sie die Reibung zwischen Tierteilen und Oberflächen erleichtern. Die Schuppen der Kalifornischen Königsschlangen haben eine Textur, die ein schnelles Vorwärtsgleiten ermöglicht, aber eine erhöhte Reibung, um eine Rückwärts- oder Seitwärtsbewegung zu verzögern. Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass einige Schlangen, die sich seitwärts bewegen, offenbar unterschiedliche Texturen entwickelt haben, die die Reibung in der Bewegungsrichtung verringern.

Auch kleine Strukturen spielen bei der Interaktion von Tieren mit Wasser eine wichtige Rolle. Bei vielen Tieren machen winzige Strukturen den Körper „superhydrophob“, also in der Lage, das Eindringen von Wasser zu verhindern. „Bei Tieren wie Vögeln und Fluginsekten, bei denen Gewicht und Stabilität von entscheidender Bedeutung sind, kann die Abgabe von Wassertropfen in feuchten Klimazonen erforderlich sein“, betonen Risser von der Emory University und die Co-Autoren Chantal Nguyen, Orit Peleg und Calvin Riska.

Oberflächen, die Wasser blockieren, helfen den Tieren auch dabei, ihre Haut sauber zu halten. „Dieser Selbstreinigungsmechanismus könnte wichtig sein, um das Tier vor Gefahren wie durch die Haut übertragenen Parasiten und anderen Infektionskrankheiten zu schützen“, erklären die Autoren des Jahresberichts. In manchen Fällen kann es notwendig sein, Fremdkörper von der Oberfläche des Tieres zu entfernen, um Oberflächeneigenschaften zu erhalten, die die Tarnung verbessern.