唐鳳

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校生物學(xué)家在過(guò)去幾十年里致力于研究壁虎、蟑螂和松鼠等動(dòng)物是如何移動(dòng)的，以及其身體和四肢如何幫助它們突破困境。

但是，這些動(dòng)物如何決定是否跳下去？很顯然，運(yùn)氣不可能讓每次看似極限的跳躍都成功?！皠?dòng)物必須將行為與局部條件相匹配，產(chǎn)生關(guān)于哪些動(dòng)作是可行的知覺(jué)信息，然后從可能性選項(xiàng)中選擇適當(dāng)?shù)??！毖芯咳藛T說(shuō)。

為了找到答案，研究人員觀察了自由放養(yǎng)的松鼠，他們?cè)诩又荽髮W(xué)伯克利分校的桉樹(shù)林里，用食物誘使松鼠進(jìn)入一個(gè)合適觀察的環(huán)境。在這里，它們必須決定是跳過(guò)去吃花生還是放棄食物。

“樹(shù)冠是研究感知—行為耦合的理想自然實(shí)驗(yàn)室。對(duì)樹(shù)棲動(dòng)物而言，錯(cuò)誤判斷可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，如摔傷是造成其肢體骨折的主要原因。因此，它們必須避免錯(cuò)誤或迅速糾正錯(cuò)誤。”研究人員發(fā)現(xiàn)，松鼠從樹(shù)枝上跳躍時(shí)，樹(shù)枝越脆弱或越順滑，它們就越謹(jǐn)慎。而且，松鼠只做了幾次嘗試就適應(yīng)了不同的環(huán)境。

“當(dāng)跨越一個(gè)缺口時(shí)，它們會(huì)衡量樹(shù)枝的彈性和必須跨越的缺口大小，以決定從哪里起跳。當(dāng)它們遇到具有新的力學(xué)特性的樹(shù)枝時(shí)，會(huì)在幾次跳躍中調(diào)整起跳動(dòng)作?！毖芯咳藛T說(shuō)。

在松鼠做決定時(shí)，起跳樹(shù)枝的彈性和跳躍距離并非同樣重要。事實(shí)上，樹(shù)枝彈性比間距重要6倍。這可能是因?yàn)?，松鼠知道如果?jì)算錯(cuò)誤，鋒利的爪子可以拯救自己。即便跳偏了，它們也能夠抓住樹(shù)枝，這就是松鼠尋找最佳跳躍策略時(shí)發(fā)揮創(chuàng)新性作用的地方。

除了松鼠如何判斷起跳動(dòng)作，研究人員還量化了它們?nèi)绾胃鶕?jù)著陸點(diǎn)的穩(wěn)定性實(shí)時(shí)改變降落動(dòng)作以及在空中的姿態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果松鼠騰空而起時(shí)速度過(guò)快或過(guò)慢，它們可以采用各種靈活的著陸方式進(jìn)行機(jī)動(dòng)補(bǔ)償。

如果跳得太遠(yuǎn)，它們就會(huì)繞著樹(shù)枝向前翻滾；如果跳得太近，它們會(huì)用前腿著陸，然后在樹(shù)枝下面搖擺，并用爪子把自己拉到樹(shù)枝上面。這種自適應(yīng)規(guī)劃、學(xué)習(xí)控制性和反應(yīng)穩(wěn)定性操作的結(jié)合行為，足以幫助它們?cè)跇?shù)枝間快速移動(dòng)而不會(huì)掉下來(lái)。

騰空而起后，松鼠也有令人意想不到的創(chuàng)新。在復(fù)雜的跳躍過(guò)程中，它們通常會(huì)調(diào)整身體方向，從垂直的表面推下去，就像人類“跑酷”一樣，調(diào)整到合適的速度，確保更好地著陸，而支撐松鼠完成這一系列決策過(guò)程和動(dòng)作的關(guān)鍵因素之一就是大腦。松鼠和其他居住在樹(shù)上的嚙齒動(dòng)物進(jìn)化出了比穴居動(dòng)物更大的大腦。這種更強(qiáng)大的腦力賦予了它們?cè)诹值刈聣殉砷L(zhǎng)所需的關(guān)鍵能力，包括更好的視力和運(yùn)動(dòng)技能。

英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)研究人員對(duì)38種現(xiàn)存和滅絕的嚙齒動(dòng)物的頭骨進(jìn)行了CT掃描，以研究動(dòng)物大腦是如何隨時(shí)間變化的。隨著時(shí)間的推移，松鼠大腦的相對(duì)大小在增加，這主要是由于它們的體重急劇下降。而且，大腦中與視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)技能有關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的新皮層變得更大，幫助穩(wěn)定眼球運(yùn)動(dòng)的巖狀小葉也增大了。這些區(qū)域的擴(kuò)大有助于棲息在樹(shù)上的嚙齒動(dòng)物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境中的生活。

在自然界中，動(dòng)物總是具有非凡的運(yùn)動(dòng)能力：螨蟲(chóng)能舉起相當(dāng)于其體重1 000倍的重量，螳螂蝦以子彈般的力量攻擊獵物，游隼以539.13千米/小時(shí)的速度俯沖向獵物。即使是人類嬰兒在自由玩耍時(shí)，每小時(shí)也能移動(dòng)相當(dāng)于8個(gè)足球場(chǎng)的距離。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)并不總處于最強(qiáng)、最快或最活躍的狀態(tài)。

確切地說(shuō)，有效的行動(dòng)是一個(gè)每時(shí)每刻將身體狀態(tài)與環(huán)境特征相匹配的過(guò)程，也就是移動(dòng)必須因地制宜。人類對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知也是一個(gè)迭代過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，在可變環(huán)境中移動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生了新啟示，新啟示反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了新經(jīng)驗(yàn)。松鼠和其他樹(shù)棲動(dòng)物在學(xué)習(xí)如何在樹(shù)冠上跳躍時(shí)，很可能表現(xiàn)出了類似的校準(zhǔn)能力和創(chuàng)造力。

現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)需要靈活性和創(chuàng)造力。研究人員認(rèn)為，松鼠是理解平衡和敏捷的生物學(xué)極限首屈一指的模型生物?！叭绻覀兡芰私馑墒笫侨绾巫龅竭@一點(diǎn)的，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在樹(shù)冠和其他復(fù)雜地形下，適用于其他動(dòng)物和機(jī)器人高性能運(yùn)動(dòng)的一般原則。我認(rèn)為這是下一個(gè)前沿領(lǐng)域，即身體是如何決定運(yùn)動(dòng)的?！毖芯咳藛T表示，他們將繼續(xù)探索動(dòng)物生物力學(xué)能力和認(rèn)知能力之間的相互作用。