出品:科普中國(guó)
作者:蘇澄宇
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
“貓是液體”,并不是玩笑。2017年,搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主M.A. Fardin從流變學(xué)的概念出發(fā)討論了貓的物理狀態(tài)。即物質(zhì)可以根據(jù)時(shí)間來表現(xiàn)為固體或液體,關(guān)鍵是觀察的時(shí)間長(zhǎng)度,也就是通過“德博拉數(shù)(Deborah Number, De)”來衡量,這一參數(shù)最早是由以色列理工學(xué)院的教授馬庫(kù)斯·萊納所提出,可以作為衡量流體粘彈性的參數(shù)之一。
貓是“液體”
(圖片來源:Treplus Communities)
短時(shí)間內(nèi),貓像固體,因?yàn)樗3中螤畈蛔儭iL(zhǎng)時(shí)間內(nèi),貓像液體,可以慢慢流動(dòng)并適應(yīng)容器的形狀,比如一只貓可以“流動(dòng)”進(jìn)一個(gè)碗里。
喜歡鉆進(jìn)箱子里的小貓
(圖片來源:veer圖庫(kù))
科學(xué)家還觀察了貓?jiān)诓煌砻嫔项愃埔后w的行為,比如貓?jiān)诖植诒砻嫔蠒?huì)“鋪開”,但在光滑表面上會(huì)“滑動(dòng)”。總的來說,貓作為一種“主動(dòng)流體”,它們可以自己移動(dòng)和調(diào)整形狀,不像普通的被動(dòng)流體需要外力推動(dòng),這讓它們的流動(dòng)行為更復(fù)雜。
人為什么不能自由地鉆?
貓是液體的前提是它的身體足夠柔軟,但對(duì)于人類來說,頭能鉆過去身子不一定能過去(此處提醒大家不要隨便鉆鐵柵欄)。而對(duì)于貓來說,頭能鉆過去,身子就一定能過去。其中主要原因是人有鎖骨,肩膀的寬度由鎖骨的長(zhǎng)度和位置決定,這個(gè)結(jié)構(gòu)在人類中是固定的。
貓的鎖骨
(圖片來源:參考文獻(xiàn)2)
然而貓的鎖骨基本退化,不像人類有明顯的鎖骨。沒有鎖骨的限制,貓可以在一定程度上壓縮身體,表現(xiàn)出“流動(dòng)性”,這也是它們能“擠”過狹小縫隙的原因。另外,貓的脊柱包含30塊椎骨,比人類的脊柱少幾塊。
x光下貓的脊椎(圖片來源:參考文獻(xiàn)4)
通過對(duì)貓的X光分析和角度測(cè)量,發(fā)現(xiàn)貓的脊柱在扭轉(zhuǎn)方面(繞著脊柱縱軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))有著極高的靈活性,尤其是胸椎中段(T4至T11)的扭轉(zhuǎn)范圍非常廣。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了貓脊柱在最大扭轉(zhuǎn)時(shí)的角度變化,發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度接近180度。
而且脊柱的椎骨之間的間隙較大,并且貓的椎間盤非常柔軟,有助于脊柱的極大可動(dòng)性。這種結(jié)構(gòu)允許貓的脊柱在前后彎曲時(shí)產(chǎn)生更大的弧度,提供了類似“彈簧”的效果,使得它們能夠快速扭轉(zhuǎn)或跳躍,也能夠鉆過更小的空間。
除此之外,肌肉和韌帶的靈活也很重要。1981年,科學(xué)家做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),讓貓盡可能地跳高,進(jìn)而觀察它的肌肉是如何工作的。于是發(fā)現(xiàn),在跳躍等運(yùn)動(dòng)中,貓的后肢肌肉如半腱肌、腓腸肌和趾長(zhǎng)伸肌等都會(huì)顯示出高度協(xié)調(diào)的活動(dòng)。這些肌肉在跳躍過程中通過電肌圖(EMG)記錄其活性,顯示它們?cè)跍?zhǔn)備階段和發(fā)力階段的不同反應(yīng)。
該實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了貓后肢在跳躍中的地面反作用力,并分析了髖、膝和踝關(guān)節(jié)的角度變化。這些數(shù)據(jù)表明,貓的關(guān)節(jié)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中保持極大的活動(dòng)范圍,從而幫助它們達(dá)到最大跳躍高度。貓的肌肉和韌帶非常靈活,這有助于它們?cè)讵M小空間中調(diào)整身體姿勢(shì)。
貓知道它自己是“液體”嗎?
貓從抽屜里鉆出來
(圖片來源:veer圖庫(kù))
在2024年的一個(gè)實(shí)驗(yàn)里,Péter Pongrácz 搭建了一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)裝置,類似于一個(gè)逐漸變窄的門框。他們召集了30只不同年齡、大小和品種的家養(yǎng)貓。
這些貓即將面對(duì)一系列逐漸變窄的開口,而科學(xué)家們則要通過觀察,找出貓是否具有對(duì)自己體型的精確意識(shí)——也就是說,貓是否會(huì)提前判斷自己能不能通過這個(gè)越來越小的開口,或者它們是否依賴“試一試”的方式。
開口示例
(圖片來源:參考文獻(xiàn)1)
實(shí)驗(yàn)并不是一帆風(fēng)順,因?yàn)樨堅(jiān)趯?shí)驗(yàn)里是出了名的難搞。在一次實(shí)驗(yàn)里,Pongrácz 發(fā)現(xiàn)貓?zhí)舆M(jìn)了通風(fēng)管道里。想象一下,科學(xué)家們準(zhǔn)備好了一切,精心設(shè)計(jì)了一個(gè)狹窄的開口,貓的主人站在另一邊,用它最喜歡的小零食引誘它,但貓卻無動(dòng)于衷,反而開始舔自己的爪子,像在嘲笑這些“愚蠢的”人類。畢竟,貓參與實(shí)驗(yàn)的唯一規(guī)則是——除非它們自己想!
起初,開口足夠?qū)挘瑤缀跛械呢埗驾p松通過。然而,當(dāng)開口逐漸變窄時(shí),一些貓開始停下腳步。貓們仔細(xì)觀察狹窄的通道,有些選擇了嘗試,而有些則轉(zhuǎn)頭尋找其他路線。
科學(xué)家們注意到,貓?jiān)诿鎸?duì)狹窄但高度足夠的開口時(shí),并不會(huì)立即做出判斷,而是靠近開口進(jìn)行“試探”。它們的鼻子和胡須輕輕觸碰開口的邊緣,似乎在評(píng)估能否通過。研究人員觀察到,在寬度為12厘米時(shí),約有70%的貓選擇嘗試通過,但在寬度縮減到7厘米時(shí),這個(gè)比例迅速下降到15%。顯然,開口的寬度在10厘米以下時(shí),貓會(huì)變得更加謹(jǐn)慎。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,開口的高度也逐漸降低。
當(dāng)它們認(rèn)為自己有可能通過時(shí)會(huì)大膽地前進(jìn),身體微微壓縮,靈活地鉆過開口。然而,當(dāng)開口變得過于狹窄時(shí),體型較大的貓更傾向于停下來,放棄嘗試。這時(shí),貓開始顯現(xiàn)出對(duì)自身體型的意識(shí)。
令人驚訝的是,貓?jiān)诿鎸?duì)高度不足15厘米的開口時(shí)表現(xiàn)出更多的猶豫。科學(xué)家們記錄了它們的行為:在開口高于20厘米時(shí),幾乎所有的貓都會(huì)繼續(xù)嘗試通過,但當(dāng)高度降低到15厘米時(shí),超過80%的貓停下了腳步,表現(xiàn)出顯著的猶豫。部分貓甚至選擇繞過障礙,或者放棄嘗試,等待進(jìn)一步的指示。
在觀察過程中,科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一些個(gè)體差異。較年輕的貓和體型較小的貓?jiān)谕ㄟ^狹窄開口時(shí)顯得更加大膽,而年齡較大或體型較大的貓則表現(xiàn)得更為謹(jǐn)慎。
從體重?cái)?shù)據(jù)平均來看,體重超過5公斤的貓?jiān)诿鎸?duì)寬度小于9厘米的開口時(shí),更容易選擇放棄嘗試。而那些體重低于4公斤的貓,即便開口縮小到6厘米,也有超過一半會(huì)選擇嘗試通過。換言之,在一些情況下,貓真把自己當(dāng)液體,可以隨意通過任何口子。
簡(jiǎn)單來說,貓如果是一種液體,那么它們也只有一個(gè)維度,一種限高不限寬的液體。
小貓從空隙里鉆出來(圖片來源:Youtube用戶發(fā)布內(nèi)容截圖)
結(jié)語(yǔ)
面對(duì)同樣的問題時(shí),狗的處理方式完全不一樣。幾年前,Pongrácz 招募了一些狗參與同樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。研究顯示,狗在遇到不適合通過的小開口時(shí),會(huì)減速并猶豫是否通過,有時(shí)會(huì)選擇繞道。很明顯,狗表現(xiàn)出明顯的身體意識(shí),會(huì)根據(jù)開口大小在接近前做出決定。
這種對(duì)比說明了兩種動(dòng)物在體型意識(shí)上的差異,狗傾向于依賴更強(qiáng)的體型認(rèn)知,特別是在面對(duì)狹小的環(huán)境時(shí),而貓則更多依靠靈活性和試探策略來應(yīng)對(duì)狹窄的空間。按Pongrácz的話來說,“貓可能是液體,但它們也知道什么時(shí)候停止流動(dòng)。”
參考文獻(xiàn):
[1]Pongrácz P. Cats are (almost) liquid!—Cats selectively rely on body size awareness when negotiating short openings[J]. iScience, 2024.
[2]Zajac F E, Zomlefer M R, Levine W S. Hindlimb muscular activity, kinetics and kinematics of cats jumping to their maximum achievable heights[J]. Journal of Experimental Biology, 1981, 91(1): 73-86.
[3]Fardin M A. On the rheology of cats[J]. Rheology Bulletin, 2014, 83(2): 16-17.
[4]Macpherson J M, Ye Y. The cat vertebral column: stance configuration and range of motion[J]. Experimental brain research, 1998, 119: 324-332.
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