早在100多年前,科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了貓咪從空中墜落時總是會四腳著地,這在當(dāng)時是一個令人困惑的問題,因為根據(jù)角動量守恒定律,在沒有支撐點的半空中,貓應(yīng)該不可能平白無故自己轉(zhuǎn)動起來的。
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直到1969年,科學(xué)家才用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型解釋了其中的原因,即:貓可以通過改變身體不同部位的形狀,讓身體的前半部分和后半部分以不同的方式扭轉(zhuǎn),從而在角動量保持為零的情況下,完成整體的180度轉(zhuǎn)身。
這就好比你在轉(zhuǎn)椅上,通過伸縮手臂和扭動身體就能把自己轉(zhuǎn)過來一樣。
有意思的是,根據(jù)近日發(fā)表在《解剖學(xué)記錄》雜志上的一項新研究,科學(xué)家又從解剖學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)了貓咪墜落時總是會四腳著地的新原因。
在此次研究中,科學(xué)家找來了五具捐獻(xiàn)的貓咪遺體,極其細(xì)致地剝離出完整的脊柱,為了保證實驗的準(zhǔn)確性,他們保留了脊椎上的韌帶和椎間盤,甚至連肋骨和骶骨都原樣留著。
科學(xué)家把貓的脊柱分成了兩個主要部分:前方的胸椎(靠近胸腔的那一段)和后方的腰椎(靠近后腿的那一段)。
接下來,這些脊柱被固定在一個特制的“扭轉(zhuǎn)實驗裝置”上,他們開始像擰毛巾一樣,測試貓脊椎在受到不同力度和角度扭轉(zhuǎn)時的反應(yīng)。
實驗結(jié)果表明,貓的前半段胸椎就像一根極其靈活的“軟彈簧”,它的活動范圍是后半段腰椎的三倍左右,更神奇的是,胸椎表現(xiàn)出的“剛度”(也就是抵抗扭轉(zhuǎn)的硬度)只有腰椎的三分之一。
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在這樣的情況下,貓咪的前半身就可以非常輕松地在大范圍內(nèi)扭來扭去,而它們的后半身則像一根堅固的支柱。
這里需要引入了一個被稱為“中性區(qū)”(Neutral Zone)概念,通俗點說,這就是在這個角度范圍內(nèi),你扭動脊椎幾乎不需要費什么勁,阻力極小。
研究發(fā)現(xiàn),貓的胸椎有一個高達(dá)47度的“中性區(qū)”,而這也就意味著,貓的前半身在轉(zhuǎn)動將近50度的時候,身體幾乎感受不到任何束縛,這是一種極度自由的運動空間。
相比之下,貓的腰椎部分干脆就沒有所謂的“中性區(qū)”,只要你試著扭動它的腰,阻力立刻就會上來。科學(xué)家認(rèn)為,這種“前軟后硬”的配置,正是貓咪墜落時總是會四腳著地的硬件基礎(chǔ)。
為了對其進(jìn)行驗證,科學(xué)家還請來了兩只活潑的“貓志愿者”,實驗過程簡單來講就是,讓貓咪從大約一米高的地方落到一個厚厚的、軟綿綿的墊子上,然后用高速攝像機記錄其墜落過程。
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長久以來,我們都覺得貓在空中轉(zhuǎn)身是一個流暢的、整體的動作,但實驗結(jié)果卻是,這更像是一場接力賽,在貓咪下落的瞬間,它的前半身(也就是那段擁有47度自由轉(zhuǎn)動空間的胸椎)會率先發(fā)動,以驚人的速度轉(zhuǎn)過來。
緊接著,在不到0.1秒的時間差里,后半身才會跟進(jìn),具體數(shù)據(jù)是,一只貓的前后轉(zhuǎn)身時差是94毫秒,另一只是72毫秒。
研究表明,之所以會有這種時間差,是因為貓的前半身率先轉(zhuǎn)動時,可以把后半身那個又重、又穩(wěn)、又硬的部分當(dāng)成一個支點,而一旦前半身轉(zhuǎn)到位,前腿張開,貓就利用了更大的轉(zhuǎn)動慣量來鎖定方向,這時候,后半身再順勢一扭,整個身體就完成了四腳著地的預(yù)備動作。
科學(xué)家表示,這種前段極度靈活、后段相對穩(wěn)健的構(gòu)造,其實是貓科動物成為自然界的頂級掠食者的重要原因之一。
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簡單來講,當(dāng)一只高速運動的貓突然需要急轉(zhuǎn)彎時(這在捕獵時經(jīng)常會發(fā)生),這種脊椎的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了——它的前半身可以率先“探路”,迅速調(diào)整方向,而堅固的后半身則能像蓄勢待發(fā)的彈簧一樣,提供穩(wěn)定的推進(jìn)力,保證身體不會在高速轉(zhuǎn)彎時因為慣性而失控。
這種結(jié)構(gòu)也解釋了為什么貓的奔跑姿態(tài)看上去那么迷人。它們的背部可以像折疊尺一樣大幅度彎曲和伸展,胸椎的靈活性給了它們探索各種復(fù)雜地形的能力,而腰椎的穩(wěn)定性則保證了它們在撲殺獵物時,后肢能爆發(fā)強有力的蹬地力量。
參考資料:Torsional flexibility of the thoracic spine is superior to that of the lumbar spine in cats: Implications for the falling cat problem,The Anatomical Record,doi.org/10.1002/ar.70165
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