Dlaczego koty spadają na cztery łapy? Ciało skręca się jak sprężyna

Nowe badania wykazały, że elastyczność odcinka piersiowego kręgosłupa kota umożliwia mu szybki obrót w trakcie spadania.
Analiza nagrań pokazała, że kot najpierw obraca przednią część ciała, a następnie tylną, ustawiając się do lądowania na łapach.
Stwierdzono, że koty mogą mieć naturalną preferencję obracania się w jedną stronę podczas spadania, choć przyczyny tego zjawiska nie są znane.
Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu

To jedna z najbardziej znanych zagadek biologii i fizyki. Jeśli kot spada z wysokości, niemal zawsze ląduje na łapach. Co więcej, potrafi to zrobić nawet wtedy, gdy zaczyna spadanie do góry nogami i bez żadnego początkowego obrotu. Dla fizyków przez długi czas było to zaskakujące, ponieważ zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu ciało w swobodnym spadku nie powinno być w stanie samo z siebie zacząć się obracać. Dlatego zjawisko to przez dekady było przedmiotem sporów i analiz.

Tajemnica ta fascynuje naukowców od ponad stu lat. Już w 1894 r. francuski fizjolog Étienne-Jules Marey wykonał serię zdjęć spadającego kota przy użyciu wczesnej fotografii seryjnej. Pokazały one, że zwierzę w czasie spadania wykonuje skomplikowaną sekwencję ruchów, która pozwala mu odwrócić ciało. Był to jeden z pierwszych przykładów wykorzystania fotografii do badania ruchu zwierząt.

Nowe badanie przeprowadzone przez zespół z Yamaguchi University w Japonii rzuca dodatkowe światło na mechanizm tego niezwykłego manewru. Naukowcy postanowili sprawdzić, które części ciała kota odpowiadają za możliwość tak szybkiego obrotu. Wyniki sugerują, że rozwiązanie tkwi głęboko w anatomii kręgosłupa.

Naukowcy postanowili sprawdzić, które części ciała kota odpowiadają za możliwość szybkiego obrotupijato123RF/PICSEL

Kręgosłup, który skręca się jak sprężyna

Badacze sprawdzili, jak bardzo różne fragmenty kręgosłupa kota mogą się skręcać. Skupili się na dwóch częściach: odcinku piersiowym, znajdującym się w środkowej części grzbietu, oraz odcinku lędźwiowym w dolnej części pleców. Oba fragmenty odpowiadają za stabilność i ruch tułowia zwierzęcia. Ich właściwości biomechaniczne są jednak wyraźnie różne.

„Porównaliśmy elastyczność odcinka piersiowego i lędźwiowego kręgosłupa kotów i odkryliśmy, że odcinek piersiowy jest bardzo elastyczny” – mówi Yasuo Higurashi z Yamaguchi University w Japonii. To właśnie ta cecha może być kluczowa dla mechaniki spadania. Dzięki niej górna część ciała kota może skręcać się znacznie bardziej niż dolna.

W eksperymentach naukowcy badali kręgosłupy pięciu martwych kotów, sprawdzając, jak bardzo można skręcić poszczególne fragmenty bez uszkodzenia tkanek. Okazało się, że odcinek piersiowy ma zakres skrętu aż trzykrotnie większy niż część lędźwiowa. Różnica ta była wyraźna w każdym z analizowanych przypadków. Wskazuje to na silne przystosowanie anatomiczne.

Ta różnica ma kluczowe znaczenie dla sposobu, w jaki kot obraca się w czasie spadania. Elastyczna górna część kręgosłupa pozwala na szybkie ustawienie głowy i przednich łap we właściwej pozycji. Dopiero potem reszta ciała dopasowuje się do nowej orientacji. Cały manewr trwa zaledwie ułamki sekundy.

Kot obraca się w dwóch etapach

W drugim eksperymencie badacze nagrali spadające koty kamerą wysokiej prędkości. Zwierzęta puszczano z wysokości jednego metra, a następnie analizowano każdy etap ich ruchu. Tak szczegółowe nagrania pozwalają dostrzec nawet bardzo krótkie fazy obrotu.

Nagrania pokazały, że kot najpierw obraca przednią część ciała, a dopiero chwilę później tylną. Różnica wynosiła zaledwie kilkadziesiąt milisekund, ale wystarczała, aby całe ciało ustawiło się we właściwej pozycji przed lądowaniem. Ta sekwencja ruchów jest bardzo precyzyjna. Dzięki niej kot zachowuje kontrolę nad orientacją w powietrzu.

Kluczową rolę odgrywa właśnie bardzo elastyczny odcinek piersiowy kręgosłupa. Dzięki niemu kot może najpierw skręcić górną część ciała, ustawić głowę i przednie łapy w odpowiednim kierunku, a następnie dopasować resztę ciała. W tym czasie tylne łapy pozostają jeszcze w innej orientacji. Dopiero w kolejnym ruchu ustawiają się do lądowania.

Trzy różne teorie ruchu

Przez lata naukowcy proponowali kilka wyjaśnień tego zjawiska. Każde z nich próbowało opisać, w jaki sposób kot może obracać ciało w czasie swobodnego spadku. Problem polega na tym, że zwierzę nie ma oparcia, od którego mogłoby się odbić. Dlatego mechanizm musi wynikać wyłącznie z ruchów jego własnego ciała.

Jedna z najstarszych hipotez zakładała, że kot wykorzystuje ogon jak śmigło. Machając nim w jedną stronę, zwierzę miałoby obracać ciało w przeciwnym kierunku. Problem w tym, że koty bez ogona także bez trudu lądują na łapach. Oznacza to, że ogon może pomagać w stabilizacji, ale nie jest kluczowy.

„Ogonek wydaje się najmniej istotny, bo nawet kot bez ogona potrafi się odwrócić” – mówi magazynowi „New Scientist” Greg Gbur z University of North Carolina w Charlotte, autor książki Falling Felines and Fundamental Physics. Badacz od lat zajmuje się fizyką ruchu spadających kotów. Jego prace łączą biomechanikę z klasyczną fizyką.

Drugi model, nazywany „bend-and-twist”, zakłada, że kot zgina ciało niemal pod kątem prostym, a następnie obraca przednią i tylną część w przeciwnych kierunkach. W ten sposób obie części ciała działają jak przeciwstawne wirniki. Po zakończeniu skrętu zwierzę prostuje ciało. Dzięki temu całe ciało jest już ustawione właściwie.

Trzecia koncepcja, określana jako „tuck-and-turn”, sugeruje bardziej sekwencyjny ruch. Najpierw kot przyciąga przednie łapy do ciała i prostuje tylne, obracając przednią część tułowia. Następnie zmienia pozycję łap i obraca tylną część ciała. W efekcie obie części ustawiają się we właściwym kierunku.

Nowe wyniki sugerują, że właśnie ten ostatni mechanizm może być ważniejszy, niż dotąd sądzono. Szczególnie wskazuje na to duża elastyczność górnej części kręgosłupa. Ułatwia ona obrót przedniej części ciała. Dopiero później podąża za nią reszta tułowia.

Sekwencja klatek ukazująca kota upuszczanego do góry nogami oraz kolejne fazy jego ruchu podczas spadania, aż do momentu bezpiecznego lądowania na czterech łapach; na górze widoczne dłonie wypuszczające zwierzę, poniżej szczegółowe ujęcia kota w różnyc...

Spadający kot sfotografowany w 1894 r. przez przyrodnika Etienne-Julesa Mareyadomena publiczna

Natura rzadko wybiera jedno rozwiązanie

Zdaniem badaczy koty prawdopodobnie nie korzystają tylko z jednego sposobu obrotu. W rzeczywistości łączą kilka różnych ruchów w jedną płynną sekwencję. Każdy z nich pełni określoną funkcję w czasie spadania. Razem tworzą bardzo skuteczny mechanizm stabilizacji.

„Fizycy lubią szukać prostych modeli wyjaśniających działanie świata, ale natura zwykle wybiera najbardziej skuteczne rozwiązanie, które nie musi być proste” – mówi Gbur. „Koty to skomplikowane stworzenia wykonujące skomplikowane ruchy”. Ich ruchy w powietrzu przypominają precyzyjny układ biomechaniczny.

Badanie przyniosło też ciekawą obserwację. W większości prób koty obracały się w tę samą stronę. Może to sugerować pewną naturalną preferencję kierunku ruchu. Podobne zjawisko obserwuje się czasem także u ludzi.

Jedno zwierzę skręcało w prawo za każdym razem, drugie w sześciu z ośmiu prób. Podobną tendencję zauważono wcześniej także na nagraniach innych spadających kotów. Zjawisko to na razie ma charakter obserwacyjny. Nie wiadomo jeszcze, czy dotyczy większości kotów.

Nie wiadomo, skąd bierze się ta preferencja. Jedna z hipotez mówi, że może to wynikać z asymetrycznego rozmieszczenia narządów wewnętrznych, które sprawia, że obrót w jedną stronę jest nieco łatwiejszy. Nawet niewielka różnica masy może mieć znaczenie dla rotacji. To jednak wymaga dalszych badań.

Choć naukowcy badają to zjawisko od ponad wieku, zagadka spadającego kota wciąż nie jest całkowicie rozwiązana. Każde nowe badanie pokazuje jednak, że za pozornie prostym ruchem kryje się niezwykle precyzyjna biomechanika. To przykład tego, jak wiele tajemnic kryje w sobie pozornie zwyczajne zachowanie zwierząt.