不可思议,“猫是液体”并不是玩笑话

学术   2024-09-27 22:00   海南  


有一个关于“猫是液体”的说法,想来不可思议吧?事实上,这并不是玩笑话。2017 年,搞笑诺贝尔物理学奖得主 M.A. Fardin 从流变学的概念出发,讨论了猫的物理状态,即物质可以根据时间表现为固体或液体,关键是观察的时间长度,也就是通过“德博拉数(Deborah Number, De)”来衡量,这一参数最早由以色列理工学院教授马库斯·莱纳所提出,是衡量流体粘弹性的参数之一。


猫是“液体”。图片来源:Treplus Communities


短时间内,猫像固体,因为它保持形状不变;长时间内,猫像液体,可以慢慢流动并适应容器的形状,比如一只猫可以“流动”进一个碗里。


喜欢钻进箱子里的小猫。图片来源:图虫创意


科学家还观察了猫在不同表面上类似液体的行为,比如猫在粗糙表面上会“铺开”,在光滑表面上会“滑动”。总的来说,猫作为一种“主动流体”,可以自己移动和调整形状,不像普通的被动流体需要外力推动,这让它们的流动行为更加复杂。


人为什么不能自由钻行?


猫呈现液体的前提是它的身体足够柔软,但对于人类来说,头能钻过去,身子却不一定能过去(此处提醒大家不要随便钻铁栅栏)。而对于猫来说,头能钻过去,身子就一定能过去,主要原因是人有锁骨,肩膀的宽度由锁骨的长度和位置决定,这个结构在人体中是固定的。


猫的锁骨。图片来源:参考文献[2]


然而猫的锁骨基本退化,不像人类有明显的锁骨。因此,没有了锁骨的限制,猫可以在一定程度上压缩身体,表现出“流动性”,这也是它们能“挤”过狭小缝隙的原因。另外,猫的脊柱包含30块椎骨,比人类的脊柱少几块。


x光下猫的脊椎。图片来源:参考文献[4]


通过对猫的X光分析和角度测量,研究人员发现猫的脊柱在扭转方面(绕着脊柱纵轴的旋转运动)有着极高的灵活性,尤其是胸椎中段(T4 至 T11)的扭转范围非常广。实验中测量了猫脊柱在最大扭转时的角度变化,发现扭转角度接近180度。


而且脊柱椎骨之间的间隙较大,并且猫的椎间盘非常柔软,有助于脊柱的极大可动性。这种结构允许猫的脊柱在前后弯曲时产生更大的弧度,提供了类似“弹簧”的效果,使得它们能够快速扭转或跳跃,也能够钻过更小的空间。


除此之外,肌肉和韧带的灵活也很重要。1981年,科学家做了一个实验,让猫尽可能地跳高,进而观察它的肌肉是如何工作的。于是发现,在跳跃等运动中,猫的后肢肌肉如半腱肌、腓肠肌和趾长伸肌等都会显示出高度协调的活动。这些肌肉在跳跃过程中通过电肌图(EMG)记录其活性,显示它们在准备阶段和发力阶段的不同反应。


该实验还测量了猫后肢在跳跃中的地面反作用力,并分析了髋、膝和踝关节的角度变化。这些数据表明,猫的关节在整个运动过程中保持极大的活动范围,从而帮助它们达到最大跳跃高度。猫的肌肉和韧带非常灵活,这有助于它们在狭小空间中调整身体姿势。


猫知道自己是“液体”吗?


猫从抽屉里钻出来。图片来源:图虫创意


在2024年的一个实验里,Péter Pongrácz 搭建了一个特殊的实验装置,类似于一个逐渐变窄的门框。他们召集了30只不同年龄、大小和品种的家养猫。


这些猫即将面对一系列逐渐变窄的开口,而科学家们则要通过观察,找出猫是否具有对自己体型的精确意识——也就是说,猫是否会提前判断自己能不能通过这个越来越小的开口,或者它们是否依赖“试一试”的方式。


开口示例。图片来源:参考文献[1]


然而,实验并非一帆风顺,猫在实验里是出了名的“难搞”。在一次实验里,Pongrácz 发现猫逃进了通风管道里。想象一下,科学家们准备好了一切,精心设计了一个狭窄的开口,猫的主人站在另一边,用它最喜欢的小零食吸引它,但猫却无动于衷,反而开始舔自己的爪子,像在嘲笑这些“愚蠢的”人类。毕竟,猫参与实验的唯一规则是——除非它们自己想!


起初,开口足够宽,几乎所有的猫都能轻松通过。然而,当开口逐渐变窄时,一些猫开始停下脚步,它们仔细观察狭窄的通道,有些选择了尝试,有些则转头寻找其他路线。


科学家们注意到,猫在面对狭窄但高度足够的开口时,并不会立即做出判断,而是靠近开口进行“试探”。它们的鼻子和胡须轻轻触碰开口的边缘,似乎在评估能否通过。研究人员观察到,在宽度为12厘米时,约有70%的猫选择尝试通过,但在宽度缩减到7厘米时,这个比例迅速下降到15%。显然,开口的宽度在10厘米以下时,猫会变得更加谨慎,随着实验进行,开口的高度也逐渐降低。


当它们认为自己有可能通过时,会大胆前进,身体微微压缩,灵活地钻过开口。然而,当开口变得过于狭窄时,体型较大的猫更倾向于停下来,放弃尝试。这时,猫开始显现出对自身体型的意识。


令人惊讶的是,猫在面对高度不足15厘米的开口时,表现出更多的犹豫。科学家们记录了它们的行为:在开口高于20厘米时,几乎所有的猫都会继续尝试通过,但当高度降低到15厘米时,超过80%的猫停下了脚步,表现出显著的犹豫,部分猫甚至选择绕过障碍,或者放弃尝试,等待进一步的指示。


在观察过程中,科学家们还发现了一些个体差异:较年轻的猫和体型较小的猫在通过狭窄开口时显得更加大胆,而年龄较大或体型较大的猫则表现得更为谨慎。


从体重数据平均来看,体重超过5千克的猫在面对宽度小于9厘米的开口时,更容易选择放弃尝试;而那些体重低于4千克的猫,即便开口缩小到6厘米,也有超过一半的猫会选择尝试通过。换言之,在一些情况下,猫真把自己当“液体”,可以随意通过任何口子。


简单来说,如果说猫是一种“液体”,那它们也只有一个维度,是一种限高不限宽的液体。


小猫从空隙里钻出来。图片来源:Youtube 用户发布内容截图


结语


面对同样的问题,狗的处理方式却完全不同。几年前,Pongrácz 招募了一些狗参与同样的实验。研究显示,狗在遇到不适合通过的小开口时,会减速并犹豫是否通过,有时会选择绕道。狗表现出明显的身体意识,会根据开口大小,在接近开口时做出决定。


这种对比说明了两种动物在体型意识上的差异,狗倾向于依赖更强的体型认知,特别是在面对狭小的环境时;而猫则更多依靠灵活性和试探策略来应对狭窄的空间。按 Pongrácz 的话来说,“猫可能是液体,但它们也知道什么时候停止流动。”



参考文献

[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.



来源:科普中国

往期推荐

科普一分钟 | 《城市地质》


2024年海南省“全国科普日”活动:乐享科技魅力 提升科学素质


科普海南丨我省新认定12家省级科普场馆 一起来打卡→


握岱村:小小菌菇开出全村“幸福花”

科普海南
海南省科学技术协会官方平台。普及科学知识、倡导科学方法、传播科学思想、弘扬科学精神。
 最新文章