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《毛茸茸的逻辑》动物如何使用物理学，解锁它们独特的行为逻辑链
铛铛铃2025-09-14【科普】820人已围观
简介
今天为您解读的是《毛茸茸的逻辑》
副标题是“动物生活中的物理学”。
我们大多数人都学过生物学，也学过物理学，但很少有人学过动物物理学。事实上，动物也是物质，当然遵循基本的物理原理，甚至可以利用物理规律提高生存效率。它们虽然没学过物理，但对物理规律的运用几乎是全面开挂。
《毛茸茸的逻辑》这本书开启了认识动物的另一种视角，将带你全面了解动物的物理黑科技。
本书作者、英国人马丁·杜拉尼，是《物理世界》杂志的编辑、高分子物理学专业博士，曾经在剑桥大学从事博士后工作，喜欢用故事诠释物理，生动而有趣。
本书的另一位作者是英国科学作家利兹·克拉夫，材料科学博士，偏爱从材料的角度看待动物。两人的合作可谓浑然天成，文章趣味盎然而又引人深思。
两位作者提出了很多有趣的问题，比如蚊子吸血时真的会把自己肚皮撑破吗？壁虎是怎么把自己粘在墙上的？猫咪为什么舔着喝水等等。作者相信这些生物学家无法回答的问题，都可以用物理学来回答。
本书共有六章内容，每章介绍一种物理学现象，分别是热学、力学、流体、声学、电磁学和光学。不同的动物擅长不同的物理技术，它们都是各自领域的大师。
作者首先隆重推出的是热学大师。
网上流行过不少蚊子吸血的视频，有些蚊子由于用力过猛，一不小心就会把自己肚子给撑破了，刚吸的血全流出来了，似乎是白忙活了一场。大家在嘲笑蚊子贪心不足的同时，很少意识到自己其实误解了蚊子。蚊子当然不会蠢到把肚子撑破的程度，那只是它们在运用热学原理保护自己，从而提高吸血效率。
这是怎么回事呢？没有人愿意自己的血被白白吸走，我们会毫不犹豫地拍死所有蚊子，所以吸血是极其危险的工作。雄性蚊子对此心知肚明，它们一般不会得罪人类，但雌蚊需要更多的营养物质来繁殖后代，它们只能铤而走险吸食人血。
当它们发现一个优秀供血者时，会先用针状口器在皮肤上不停试探，扎进皮肤，然后注射抗凝剂，防止血液凝固，这样就可以享用新鲜血液了。蚊子深知这样做容易遭到人类的反击，所以往往选择在夜间行动，尽量不要惊醒攻击者。尽管如此，它们还是得快速行动，以免受害者突然醒来。
蚊子为此采取的策略是，只要将口器扎进皮肤，就会用最快的速度吸血，然后尽快逃离作案现场。就像一个饥肠辘辘的人，悄悄溜进了一家自助餐厅，肯定会在最短的时间内胡吃海塞，然后拍拍屁股逃之夭夭。蚊子就是这样，它们会在瞬间吸食大量人血，体重瞬间猛增三倍。
如此快速大量吸血固然一时爽，却会造成一个意外的麻烦。蚊子是冷血动物，最舒适的体温是25℃左右，但人是恒温动物，体温可达37℃甚至更高。所以蚊子在短时间内大量吸食人血，就像人类在大口大口地喝火锅汤，而且很快喝下了100多公斤，肯定会把自己烫伤。高温人血会造成蚊子体温过高，因此而失去繁殖能力。更麻烦的是，吸足了人血的蚊子，就像是喝多了的醉汉，行动笨拙而迟缓，就此成为其他蚊子的目标。它们会一拥而上，把肚子里装满了血的蚊子当作免费热饮，将它辛苦偷来的血全部吸干。
要想避免这种悲剧，蚊子就必须防止身体过热，但它们又不能慢慢吸血，那样只会死得更惨。解决的策略就是从体内再排出一部分血液，顺便把尿也排出去，并通过排出的液体带走大量热能，以此为身体降温。研究表明，这一招非常有效，蚊子每排出一滴液体，体温大致可以下降3℃。当它完成吸血、拔出口器时，体温已经可以下降到与环境相同的水平，基本不再妨碍行动自由。
所以下次再看到蚊子流血时，不要再大惊小怪，它们根本不是撑破了肚皮，而是在运用热学原理为自己降温。
像蚊子这样的热学大师还有很多，比如狗身上沾了水以后，就会猛烈摇动身体，像滚筒洗衣机那样尽快将毛发甩干，以免水分蒸发，带走大量热能。日本蜜蜂则会用热学武器对抗入侵者，它们组成一个密集的密封球，将入侵的大黄蜂团团包围在中央，利用飞行时胸口肌肉发出的热量，将大黄蜂活活烤死。
除了热学动物，对力学原理的运用也很熟练。第二个登场的就是力学大师。
懂得力学的动物有很多种，其中壁虎的表现最令人惊奇，它们居然可以在天花板上游走自如，甚至可以在玻璃表面飞速前进，似乎根本不受重力的约束。问题是，普通壁虎的平均质量可以达到100克左右，大约相当于两只鸡蛋的重量，只要你试试看能不能将鸡蛋放在天花板上不掉下来，就能知道壁虎的功夫有多奇妙。
那它们是如何把自己挂在墙上不掉下来的呢？原来壁虎在利用一种奇妙的力，叫做范德华力，最初由荷兰物理学家范德华发现。当电子围绕原子核旋转时，就会产生微小的电场，相邻的电场会产生微弱的吸引力，那就是范德华力。范德华力就像小型的万有引力，无处不在。单个的范德华力很弱，但无数的范德华力叠加的效果却很可观。如果你将两本厚书的页面两两交叉插在一起，就很难再轻易分开，因为两本书之间已经出现了较强的范德华力。壁虎就是借助范德华力将自己粘在墙壁上的。
可是范德华力只能在10NM的距离内起作用，为此，壁虎需要尽可能地将脚趾贴近墙壁，粘贴的面积越大，范德华力就越大。为了实现这个目标，壁虎的脚掌进化出了复杂的肉垫，上面覆盖着层层褶皱，就像汽车轮胎上的花纹，大大增加了脚掌的宽度。褶皱上还长满了细细的纤毛，每根纤毛都有许多分叉，末端还有三角形的铲状结构，可以最大程度增加与墙壁的接触面积。通过脚掌上数以百万计的纤毛，壁虎大大提高了与墙壁之间的范德华力，足以把自己挂在墙壁上。
这时，壁虎面临着另外一个难题，既然它能把自己粘在墙上，就像贴在门上的春联，贴得越结实，撕下来就越费劲，那壁虎该如何迅速移动呢？如果它们不想把自己做成挂在墙上的标本，就必须解决这个矛盾。
原来，壁虎的脚趾结构非常灵活，可以一点点弯曲收缩，就像我们弯起一根手指一样，可以一点点拉离墙壁。由于每次拉开的面积不大，因此也不会太费力气。当所有脚趾都被拉起来时，它就可以离开墙壁了。整个过程速度非常快，以至于我们很难抓住一只正在墙上游走的壁虎，它也因此可以抓住前方的昆虫。
正因为壁虎对范德华力收放自如，成为名副其实的力学大师。
除了壁虎，蚊子也是力学高手。下雨时，蚊子遭到雨点的打击力度非常大，相当于一个人遭到了5吨重的卡车的猛烈撞击。为了避免被雨水撞死，蚊子学会了借力使力。每当它被雨点击中时，就会顺着雨点的方向飞行，不但避开正面冲击，而且顺便搭上了雨点的快车。
第三个登场的是流体领域的专家，代表动物是猫。
人们常说猫是一种液体，那当然不符合事实。猫在流体方面的成就与身体柔韧性无关，而与喝水的能力有关。水是典型的流体，在水的内部，每一个水分子都和周围的其他水分子粘在一起，共同构成了内在的凝聚力，称为水的内聚力。水可以把一张纸粘在桌面上，就是内聚力在发挥作用。在水的表面情况与内部有所不同，因为水面上方没有水分子，而表面的水分子仍然受到下方水分子的拉扯，就此呈现了一定的张力，这就是表面张力。一片树叶漂在水面没有下沉，就是表面张力托举的结果。你可以慢慢将一根绣花针放在水面上，就可以见证表面张力的奇迹。
所有动物都离不开水，它们必须学会利用水的内聚力和表面张力，而猫在这方面有着非常出色的表现。许多猫奴都没有意识到，猫喝水其实是一个有趣的生物学问题。牛喝水就很好理解，它们直接把嘴插在水里吸水，而猫却把嘴悬停在水面上，用舌头一点点舔水，明显要比吸水效率低。那为什么猫不像牛那样，也把嘴插在水里吸呢？
那与水的流体力学有关，也与猫的生活习性有关。猫与牛的最大区别不在于体型，而在于食性。猫是严格的肉食动物，牛是严格的草食动物。因为食性不同，导致嘴部结构也不同。草食动物只需要将草一点点吃进嘴里，然后细细咀嚼就可以了，它们对嘴巴型号并没有特殊要求，所以嘴裂一般较小，可以密不透风地合拢起来，像吸管一样将水吸进口腔。而肉食动物则不然，它们需要张大嘴巴，大力撕咬猎物，因此嘴裂都比较大，而嘴裂越大越难合拢，吸水时很容易四处漏气，因此猫无法直接用嘴吸水，而只能用舌头舔水。
但在很长时间内，人们只知道猫在舔水，却不知道猫究竟是如何将水舔起来的。因为猫的动作太快，根本看不清细节，人们只是想当然地以为，猫先是把舌头卷成勺子状，然后迅速插进水里，兜起一点水再送进嘴里。直到人们发明了高速摄影机，拍下了清晰的猫喝水画面，通过慢放镜头才发现，它们确实把舌头卷成了勺状，但并没有用来舀水，而是先用勺子背面在水面粘一下，然后飞速提起，利用内聚力将水拉起来，形成一根细长的连续水柱，在水柱被重力打散之前，猫的下巴迅速闭合，将水包在嘴内。由于每次吸到的水量有限，所以猫必须不断重复这个动作，甚至在一秒钟内舔水三四次，有时要花好几秒才能喝下一口水。如果不是水的内聚力，恐怕它们需要付出更大的努力才能解渴。
生活在水下的动物，无时无刻不在感受水的内聚力，多数时候都会受到内聚力的干扰，比如海马在捕食时，就会因为内聚力而在身体周围形成湍流，而湍流容易惊动猎物。为避免湍流的影响，海马进化出了尖尖的头部，尽量减少湍流的形成，因此而不会惊动猎物。
除了内聚力，有的动物还会利用水的表面张力，水黾就是表面张力专家。水黾又叫水蜘蛛，可以在水面快速滑行。由于它们身体极轻，站在水面上，就像站在蹦床上一样，不至于沉到水底。因为表面张力，水面就成了水黾这种小型动物的运动场。
第四个登场的是声学专家。
动物要想感知声音信息，就需要敏锐的耳朵，但并不是所有动物都用耳朵来感知声音，比如大象，它们有奇特的声学技术，来感知额外的声音信息。
2013年7月，纳米比亚的一座国家公园里，有一头小象在混乱中和亲人走散了，显得孤单而又紧张。它到处乱跑，试图找到母亲。奇怪的是，在匆匆奔跑的同时，小象居然会时不时地停下来，抬起一只前脚，或者抬起一条后脚，然后静止不动，似乎是在举行一种奇怪的仪式。起初，动物学家只是感到好奇，并没有打算深究背后的玄机，直到他们发现成年大象也有相同的举动，而且会有意识地教给小象抬腿的技术，大家这才意识到，大象抬起一条腿来，如同雕塑一样原地静立，绝不是在举行什么仪式，而是在倾听远方的地震波。
大象体型很大，吼叫声同样也很大，一般情况下，大象可以通过肥大的耳朵接受这些叫声，但声波在空气中传导的距离并不远，某种程度上限制了大象的远距离交流能力。不过，动物学家发现，大象的叫声中还夹杂着一些次声波，当次声波冲击地面时，可以顺着地面继续传播，就此形成了地震波。大象无法用耳朵感知地震波，却可以用脚感知。它们脚上长有厚厚的脂肪组织，其中分布着大量帕氏小体，那是感知轻微压力信号的专用器官。帕氏小体会将地震波信号通过神经传递给大脑，这样大象就能听到远方的次声。
那大象为什么要感知地震波呢？因为大象体型巨大，脚步沉重，有着标志性的脚步声，行走时发出的地震波与其他动物差别较大，因此可以被当作有效的交流工具。而且地震波传播的距离更远，还能避免风声等因素的干扰，具有其他声波不可替代的实用价值。大象可以从地震波中获取很多信息，比如判断对方是大象还是羚羊，以及它们的数量和行走速度，或者附近是不是出现了狮子，以便及时做出应对措施。
那么大象在感受地震波时，为什么要抬起一只脚呢？用四只脚同时感受地震波的效果不是更好吗？有学者认为，大象在聆听地震波时，之所以要抬起一只脚，是因为可以将体重均匀分布在其他三只脚上，导致三只脚承受的压力更大，对地震波更敏感。而且大象腿之间的距离很远，三只脚构成了典型的锐角三角形，大象可以利用三角测量原理，计算地震波传来的方向和距离。可见大象不但是声学大师，还是几何学大师。
除了大象，众所周知，蝙蝠也是声学大师，它们会利用超声波探测昆虫。昆虫当然不甘心成为蝙蝠的食物，所以也学会了反制技术，身上长出了密集的绒毛，可以探测蝙蝠发出的超声波。一旦发现自己掉进了蝙蝠的侦查圈，就会立即收起翅膀，垂直下坠，落入草丛，从而让蝙蝠失去目标。它们都在利用声学为自己的生存服务。
就连龙虾也会用声音保护自己。与人们的直觉相反，水下其实是一个嘈杂的环境，许多水生动物都会发出各种声音，只不过人耳听不到，才会误以为水下很安静。龙虾就是水下噪音的源头之一，它们在刚刚脱壳的时候，由于身体极度柔弱，无力自保，只能靠计谋吓走天敌。它们的声音就像警笛一样刺耳，足以让天敌敬而远之。有人声称，煮龙虾的时候能听到龙虾的叫声，并非没有道理。
第五个登场的是电磁学专家。
它们利用电磁技术，在生物圈占有无法撼动的优势，其中最重要的代表是蜜蜂。
蜜蜂需要依靠花粉提供营养，但有件事情却令生物学家非常困扰，他们不知道蜜蜂是如何定位花朵的。有人以为蜜蜂可以通过眼睛看见花朵，但实验表明，它们会对人造的假花视而不见，而是直接朝着真花飞去，所以花的颜色并不是吸引蜜蜂的关键因素。通过进一步的研究，人们才发现，蜜蜂居然可以利用电场来定位花朵。
实验过程是这样的，研究人员制作了一些塑料假花，并用蔗糖液代替花蜜供蜜蜂采食，而在另一些假花上换成了奎宁液，一种苦味的液体。当把蜜蜂放进假花丛时，如果不做特别处理，蜜蜂会随机采食蔗糖和奎宁，很难通过气味将两者区别开来。但当研究人员给有蔗糖的假花通上电时，情况就发生了微妙的变化。带有30伏电场的假花，能够指导蜜蜂做出正确的选择。如果撤销电场，蜜蜂就会再次陷入盲目之中。也就是说，蜜蜂居然可以通过电场的指引，找到合适的花朵，从而避开苦涩的奎宁。
蜜蜂是迄今为止人类所知的唯一可以在空气中感知电场的动物。任何事物只要带电，就会在周围产生电场，花朵也不例外。因为花朵暴露在空气中，而空气中往往带有大量电荷，特别是在雷雨过后，空气中的电荷数量更多。从高空到地面，随着高度变化，电荷分布密度也不同，因而呈现出明显的电势差。电势差又叫电压，就像山的高度一样，两个位置的带电量相差越大，电势差也就越大。在雷雨的影响下，花朵与周围空气的电势差大约是30伏左右，而只要有电势差，就会产生电场，所以每一朵花都有一个小小的电场。
那么，蜜蜂该如何感知这些小型电场呢？很多人都注意到，蜜蜂的身体总是毛茸茸的，那正是本书名字的由来。细绒毛是探测电场的重要工具，就像人身上的汗毛一样，遇到静电时就会竖立起来。我们能够感觉汗毛竖立起来，蜜蜂同样也能感受到绒毛的变化。越是靠近花朵，绒毛的静电感应就越明显，蜜蜂的感知就越强烈。那时它们就会知道自己正在接近一朵花，而不是树叶。扁平的树叶无法捕捉足够多的电子，因而不会产生那么强的电场。
除了感知电场，蜜蜂的绒毛还有更重要的价值。当蜜蜂在空中飞行时，绒毛会和空气摩擦而失去电子，所以往往带正电，而花朵会捕获空气中的负电荷。当带正电的蜜蜂拜访带负电的花朵时，就会通过静电作用将花粉吸到身上来，同时中和了花朵的负电荷，进而影响花朵的电场强度。而电场强度的变化也可以被蜜蜂感知，当蜜蜂发现一朵花的电场变弱时，就知道已经被其他蜜蜂采集过了，因此不必在这朵花上浪费时间，大大提高了采集花蜜的效率。这是一个双赢的策略，花朵也因为蜜蜂的高效采集工作，而提高了传粉效率。蜜蜂就这样通过独特的电学能力，与花朵实现了协调进化，在昆虫世界站稳了脚跟。
会用电的动物还有很多，比如电鳗会把猎物电晕，海龟则会利用电磁场寻找自己出生时的海滩。这些奇妙的生物往往令我们自叹不如，因为人类没有感知电磁的能力，但我们有着强大的感知光线的能力，因此更容易理解动物光学大师的成就。
最后登场的就是光学大师，这次射水鱼将要表演自己的绝活。
你可以做这样一个简单的实验，先在碗里装满水，然后把一只筷子插进水里，只要不垂直插下去，就会发现筷子似乎被折断了，这就是光的折射造成的错觉。当光线以一定的角度射入水中时，就会出现折射，这是非常普通的光学现象。我们很少受到折射现象的干扰，因为我们不在水下生活，但对于澳大利亚的射水鱼来说，问题就不那么简单了。
射水鱼会悄悄潜伏在树叶下面的湖水中，如果发现树叶上停有猎物，比如一只蝴蝶或者蜻蜓，射水鱼就会出其不意地从嘴里射出一道水柱，像子弹一样精确地射中猎物，最远射程可以达到身体长度的十倍，相当于有人能把唾沫吐出20多米远。令生物学家好奇的是，从水面以下看，水上的猎物位置是不准确的，距离水面一米的昆虫，在水下看起来可能会有35cm的偏差，如此大的偏差足以让射水鱼错失目标，但事实上，射水鱼几乎百发百中，它们是怎么做到的呢？
理论上来说，射水鱼理想的射击角度是垂直向上，不会出现丝毫的角度偏差，命中率也应该更高。但射水鱼却放弃了这个最佳方案，并不是因为担心猎物正好落在头上，砸到自己身体和水面，垂直的鱼一旦被鸟类发现，很难快速逃脱，就像人躺着的时候遇到危险，很难快速逃跑。所以射水鱼必须努力保持身体水平，缩短逃离危险的时间。折中的结果就是，它们的身体既不垂直也不水平，而是与水面保持75度的夹角。在这个角度下，折射现象不可避免，可是射水鱼却能在水下精确射中目标，其中的奥秘何在呢？
经过长期的研究，动物学家发现，玄机在于射水鱼的眼睛与众不同。它们眼底的视网膜特别发达，在关键感光区域，仅一平方毫米的范围内，就包含了5万多个感光细胞，比其他感光区域多出了十倍。如此密集的感光细胞，可以收集水面各个方向折射出来的光线，并通过对比消除折射干扰，得出准确的猎物位置。一旦锁定猎物，它们就不会轻易移动眼睛的位置，而是靠调节身体方位寻找最佳发射角度，就像是狙击手在调节自己的瞄准镜。一旦调节工作完成，它们就会射出一道强大的水柱，将猎物一击致命。射水鱼也因此功成名就，成为不折不扣的光学大师。
许多动物都擅长光学技术，比如蚂蚁会利用偏振光找到回家的路，章鱼则会根据环境光线而改变自身的颜色，从而躲避杀手的追捕。大眼睛的乌贼也有一个绝招，它们会搜寻远方浮游生物的发光情况，一旦发现光线受到强烈干扰，就会立即逃之夭夭，因为那意味着巨大的抹香鲸到了，而抹香鲸是乌贼的天敌。
至此，我们已经介绍了十几种不同的动物，它们都在各自擅长的物理领域取得了惊人的成绩。这本书的内容相当丰富，总计介绍了几十种动物物理学技巧，每种技巧之间不存在紧密的逻辑关系，就像是不同专业之间彼此隔阂一样，唯一的共同之处就是全都令人叹为观止。
好，以上就是《毛茸茸的逻辑》这本书的主要内容。读完这本书，你会对身边的动物有不一样的观感，它们不再是普通的动物，而是会充分利用各自物理规律的专业高手。在这方面，动物和人类并没有本质的区别，大家都只不过是遵循基本物理规律的低熵体，共同将物理现象和生命现象统一了起来，为理解宇宙提供了全新的视角。
好，《毛茸茸的逻辑》这本书就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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