科學(xué)家發(fā)現(xiàn)貓咪墜落時總是會四腳著地的新原因

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。

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)家找來了五具捐獻的貓咪遺體，極其細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。

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。

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，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。

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