从微观尺度上的摩擦力到水和空气中的流体动力学,动物都利用物理定律来奔跑、游泳或飞翔。动物行为的方方面面——从呼吸到建造庇护所——在某种程度上都依赖并受限于物理学的可能性。生物体是……行为在多重空间和时间尺度上受物理学约束的系统。动物行为物理学这个领域仍处于起步阶段,但目前,在解释个体行为,以及这些行为是如何在与其他个体和环境的相互作用中形成的这些方面,科学家们已经取得了显著进展。
除了更深入地了解动物是如何执行其多样化的技能外,此类研究还可以通过研究尚未被理解的动物能力,学习到新的物理学知识。物理学无论对多大尺寸的动物都一律适用。在最微小的生物结构尺度上,邻近分子之间的吸引力有助于壁虎和一些昆虫攀爬墙壁,甚至在天花板上行走。在一个稍微宏观的尺度上,生物纹理和结构能够为生物提供附着力。
例如,在鸟类的羽毛中,微小的钩子和倒刺就像尼龙扣一样,将羽毛固定在恰当的位置,以增强飞行时的升力。生物纹理也有助于动物的运动。这些纹理通过提高动物皮肤与环境之间的摩擦来强化运动。生物中的微结构对于动物的水中运动也同样重要。对于许多动物来说,动物皮肤表面的微结构使它们的身体具有“超疏水”性——能够不让水浸透皮肤。动物的疏水表面还有助于它们保持皮肤清洁。
光与动物皮肤相互作用中蕴含的物理机理也与动物的许多行为息息相关。鸟类、蝴蝶和一些其他昆虫身上的鲜艳色彩和虹彩效应,取决于其皮肤、羽毛上微结构层的微观组合方式。这些颜色有助于动物或昆虫的求偶,并且能够影响它们躲避捕食者的能力。在更宏观的尺度上,物理规律仍然是动物实现最简单动作的基础。即使是最简单的动作也需要动物身体内部以及身体与大脑之间复杂的电信号和化学信号的协调。
动物的不断进化使它们天生具备了能适应现有环境的运动技能。但是,动物为了各种目的而改造环境的话,则需要运用到更高深的物理知识。各种动物都学会了如何建造巢穴、庇护所和其他“建筑”,以抵御环境的威胁。这些动物的建筑结构不仅为动物提供了安全的生活环境,还展示了它们在自然界中的智慧和适应能力。动物所搭建的“建筑”必须遵循非常巧妙的物理规律,从而将温度、湿度和通风控制在舒适的范围内。
从物理学的角度对动物行为的多个方面进行进一步研究,将有助于发现自然界已经存在的,但我们尚未发现或尚未完全理解的新的物理规律。