科学家揭示猫咪坠落时总能四脚着地的新机制

单丁鹤纷

科学家发现猫咪坠落时总是会四脚着地的新原因


   
                                早在100多年前，科学家就发现了猫咪从空中坠落时总是会四脚着地，这在当时是一个令人困惑的问题，因为根据角动量守恒定律，在没有支撑点的半空中，猫应该不可能平白无故自己转动起来的。
直到1969年，科学家才用复杂的数学模型解释了其中的原因，即：猫可以通过改变身体不同部位的形状，让身体的前半部分和后半部分以不同的方式扭转，从而在角动量保持为零的情况下，完成整体的180度转身。
这就好比你在转椅上，通过伸缩手臂和扭动身体就能把自己转过来一样。
有意思的是，根据近日发表在《解剖学记录》杂志上的一项新研究，科学家又从解剖学的角度发现了猫咪坠落时总是会四脚着地的新原因。
在此次研究中，科学家找来了五具捐献的猫咪遗体，极其细致地剥离出完整的脊柱，为了保证实验的准确性，他们保留了脊椎上的韧带和椎间盘，甚至连肋骨和骶骨都原样留着。
科学家把猫的脊柱分成了两个主要部分：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）。
接下来，这些脊柱被固定在一个特制的“扭转实验装置”上，他们开始像拧毛巾一样，测试猫脊椎在受到不同力度和角度扭转时的反应。
实验结果表明，猫的前半段胸椎就像一根极其灵活的“软弹簧”，它的活动范围是后半段腰椎的三倍左右，更神奇的是，胸椎表现出的“刚度”（也就是抵抗扭转的硬度）只有腰椎的三分之一。
在这样的情况下，猫咪的前半身就可以非常轻松地在大范围内扭来扭去，而它们的后半身则像一根坚固的支柱。
这里需要引入了一个被称为“中性区”（Neutral Zone）概念，通俗点说，这就是在这个角度范围内，你扭动脊椎几乎不需要费什么劲，阻力极小。
研究发现，猫的胸椎有一个高达47度的“中性区”，而这也就意味着，猫的前半身在转动将近50度的时候，身体几乎感受不到任何束缚，这是一种极度自由的运动空间。
相比之下，猫的腰椎部分干脆就没有所谓的“中性区”，只要你试着扭动它的腰，阻力立刻就会上来。科学家认为，这种“前软后硬”的配置，正是猫咪坠落时总是会四脚着地的硬件基础。
为了对其进行验证，科学家还请来了两只活泼的“猫志愿者”，实验过程简单来讲就是，让猫咪从大约一米高的地方落到一个厚厚的、软绵绵的垫子上，然后用高速摄像机记录其坠落过程。
长久以来，我们都觉得猫在空中转身是一个流畅的、整体的动作，但实验结果却是，这更像是一场接力赛，在猫咪下落的瞬间，它的前半身（也就是那段拥有47度自由转动空间的胸椎）会率先发动，以惊人的速度转过来。
紧接着，在不到0.1秒的时间差里，后半身才会跟进，具体数据是，一只猫的前后转身时差是94毫秒，另一只是72毫秒。
研究表明，之所以会有这种时间差，是因为猫的前半身率先转动时，可以把后半身那个又重、又稳、又硬的部分当成一个支点，而一旦前半身转到位，前腿张开，猫就利用了更大的转动惯量来锁定方向，这时候，后半身再顺势一扭，整个身体就完成了四脚着地的预备动作。
科学家表示，这种前段极度灵活、后段相对稳健的构造，其实是猫科动物成为自然界的顶级掠食者的重要原因之一。
简单来讲，当一只高速运动的猫突然需要急转弯时（这在捕猎时经常会发生），这种脊椎的优势就体现出来了——它的前半身可以率先“探路”，迅速调整方向，而坚固的后半身则能像蓄势待发的弹簧一样，提供稳定的推进力，保证身体不会在高速转弯时因为惯性而失控。
这种结构也解释了为什么猫的奔跑姿态看上去那么迷人。它们的背部可以像折叠尺一样大幅度弯曲和伸展，胸椎的灵活性给了它们探索各种复杂地形的能力，而腰椎的稳定性则保证了它们在扑杀猎物时，后肢能爆发强有力的蹬地力量。
参考资料：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