Apakah hewan menggunakan fisika? Mari kita hitung caranya

Isaac Newton tidak akan menemukan hukum gerak jika dia hanya mempelajari kucing.

Misalkan Anda menggendong kucing dengan perutnya lalu menjatuhkannya dari jendela lantai dua. Jika kucing hanyalah sebuah sistem mekanis yang mematuhi aturan Newton mengenai gerak materi, ia seharusnya mendarat dengan punggungnya. (Oke, ada beberapa hal teknis – seperti itu harus dilakukan dalam ruang hampa, tapi abaikan saja untuk saat ini.) Sebaliknya, sebagian besar kucing biasanya menghindari cedera dengan memelintir tubuhnya saat turun untuk mendarat dengan kakinya.

Kebanyakan orang tidak terkejut dengan trik ini – semua orang telah melihat video yang membuktikan kehebatan akrobatik kucing. Namun selama lebih dari satu abad, para ilmuwan bertanya-tanya tentang fisika di balik cara kucing melakukannya. Jelas sekali, teori matematika yang menganalisis kejatuhan kucing sebagai sistem mekanis tidaklah benar. Kegagalan untuk kucing hidupSeperti yang dikemukakan oleh peraih Nobel Frank Wilszek dalam makalahnya baru-baru ini.

“Teori ini tidak berlaku untuk kucing biologis sebenarnya,” tulis Wilczek, fisikawan teoretis di MIT. Mereka bukanlah sistem mekanis tertutup, dan dapat “mengkonsumsi energi yang tersimpan…dan memungkinkan pergerakan mekanis”.

Namun hukum fisika berlaku pada kucing – serta semua spesies hewan lainnya, mulai dari serangga hingga gajah. Faktanya, biologi tidak menghindari fisika; Sebaliknya, dia memeluknya. Dari gesekan pada skala mikroskopis hingga dinamika fluida di air dan udara, hewan memanfaatkan hukum fisika untuk berlari, berenang, atau terbang. Setiap aspek perilaku hewan, mulai dari bernapas hingga membangun tempat berlindung, bergantung pada batasan yang ditentukan oleh fisika, dan peluang yang dimungkinkannya.

“Organisme adalah… sistem yang tindakannya dibatasi oleh fisika dalam berbagai skala panjang dan skala waktu,” tulis Jennifer Reeser dan rekan-rekannya dalam jurnal edisi terbaru. Tinjauan tahunan fisika benda terkondensasi.

Meskipun bidang fisika perilaku hewan masih dalam tahap awal, kemajuan signifikan telah dicapai dalam menjelaskan perilaku individu, serta bagaimana perilaku tersebut dibentuk oleh interaksi dengan individu lain dan lingkungan. Selain menemukan lebih banyak tentang bagaimana hewan melakukan berbagai keterampilan, penelitian semacam itu juga dapat menghasilkan pengetahuan fisik baru yang diperoleh dengan mengamati kemampuan hewan yang belum dipahami oleh para ilmuwan.

Makhluk yang sedang bergerak

Fisika hewan yang bergerak berlaku pada skala spasial yang luas. Pada spektrum terkecil, gaya tarik menarik antara atom-atom di dekatnya memfasilitasi kemampuan tokek dan beberapa serangga untuk memanjat dinding atau bahkan berjalan di langit-langit. Pada skala yang sedikit lebih besar, tekstur dan struktur adhesi memberikan senam biologis lainnya. Pada bulu burung, misalnya, kait kecil dan duri bertindak seperti Velcro, menahan bulu pada posisinya untuk meningkatkan daya angkat selama penerbangan, lapor Reiser dan rekan-rekannya.

Tekstur biologis juga membantu pergerakan dengan memfasilitasi gesekan antara bagian dan permukaan hewan. Sisik ular raja California memiliki tekstur yang memungkinkan meluncur ke depan dengan cepat, namun meningkatkan gesekan untuk memperlambat gerakan mundur atau ke samping. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa beberapa ular yang bergerak ke samping tampaknya telah mengembangkan tekstur berbeda yang mengurangi gesekan dalam arah gerakannya.

Struktur berukuran kecil juga memainkan peran penting dalam interaksi hewan dengan air. Bagi banyak hewan, struktur kecil membuat tubuh “superhidrofobik” – yaitu mampu mencegah penetrasi air. “Tetesan air yang keluar di iklim lembab mungkin diperlukan pada hewan, seperti burung dan serangga terbang, di mana bobot dan stabilitas sangat penting,” kata Risser dari Universitas Emory dan rekan penulis Chantal Nguyen, Orit Peleg, dan Calvin Riska.

Permukaan yang menghalangi air juga membantu hewan menjaga kebersihan kulitnya. “Mekanisme pembersihan diri ini penting untuk membantu melindungi hewan dari bahaya seperti parasit yang ditularkan melalui kulit dan penyakit menular lainnya,” jelas penulis tinjauan tahunan tersebut. Dalam beberapa kasus, menghilangkan benda asing dari permukaan hewan mungkin diperlukan untuk mempertahankan sifat permukaan yang meningkatkan kamuflase.