科學家發現貓咪墜落時總是會四腳著地的新原因

早在100多年前，科學家就發現了貓咪從空中墜落時總是會四腳著地，這在當時是一個令人困惑的問題，因為根據角動量守恒定律，在沒有支撐點的半空中，貓應該不可能平白無故自己轉動起來的。

直到1969年，科學家才用復雜的數學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，從而在角動量保持為零的情況下，完成整體的180度轉身。

這就好比你在轉椅上，通過伸縮手臂和扭動身體就能把自己轉過來一樣。

有意思的是，根據近日發表在《解剖學記錄》雜志上的一項新研究，科學家又從解剖學的角度發現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時的反應。

實驗結果表明，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，胸椎表現出的“剛度”（也就是抵抗扭轉的硬度）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”（Neutral Zone）概念，通俗點說，這就是在這個角度范圍內，你扭動脊椎幾乎不需要費什么勁，阻力極小。

研究發現，貓的胸椎有一個高達47度的“中性區”，而這也就意味著，貓的前半身在轉動將近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”，只要你試著扭動它的腰，阻力立刻就會上來。科學家認為，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。

為了對其進行驗證，科學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身是一個流暢的、整體的動作，但實驗結果卻是，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度自由轉動空間的胸椎）會率先發動，以驚人的速度轉過來。

緊接著，在不到0.1秒的時間差里，后半身才會跟進，具體數據是，一只貓的前后轉身時差是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動時，可以把后半身那個又重、又穩、又硬的部分當成一個支點，而一旦前半身轉到位，前腿張開，貓就利用了更大的轉動慣量來鎖定方向，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備動作。

科學家表示，這種前段極度靈活、后段相對穩健的構造，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，當一只高速運動的貓突然需要急轉彎時（這在捕獵時經常會發生），這種脊椎的優勢就體現出來了——它的前半身可以率先“探路”，迅速調整方向，而堅固的后半身則能像蓄勢待發的彈簧一樣，提供穩定的推進力，保證身體不會在高速轉彎時因為慣性而失控。

這種結構也解釋了為什么貓的奔跑姿態看上去那么迷人。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雜地形的能力，而腰椎的穩定性則保證了它們在撲殺獵物時，后肢能爆發強有力的蹬地力量。

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