Mokslininkai išnarpliojo mįslę: katino refleksas veikia greičiau, nei daugelis manė iki šiol

Atrodo tarsi magija. Katė krenta nugara žemyn, akimirkai ore jos kūnas keistai išsiriečia, tarsi „perbėgtų“ per save, ir po kelių sekundžių ji jau paliečia žemę visomis keturiomis letenomis – dažnai beveik visiškai tyliai. Daug metų tai bandyta aiškinti stebuklais, uodegos miklumu arba kokia nors „kačių gravitacija“.

Tačiau tikroji priežastis daug įdomesnė ir kur kas žemiškesnė. Tai labai konkrečių biologinių ir fizinių mechanizmų rezultatas: vidinės ausies labirinto veiklos, nepaprasto stuburo elastingumo, tikslios galūnių padėties kontrolės ir griežto, bet išnaudojamo kampinio momento tvermės dėsnio.

Visų pirma verta susitarti dėl vieno žodžio, kuris dažniausiai ir klaidina – „visada“. Katės dažnai sugeba apsiversti ore, tačiau ne visada suspėja, ne visada turi tam pakankamą aukštį ir tikrai ne visada nusileidžia be sužeidimų. Veterinarai tai žino geriau už bet ką – prie šios temos dar sugrįšime.

Katė ne „atsispiria“ nuo rankos ir nesiverčia dėl oro pasipriešinimo

XIX amžiaus pabaigoje paslaptis, kaip katėms pavyksta nusileisti ant letenų, buvo ne tik saloninių ginčų, bet ir rimtų mokslinių diskusijų tema. Populiariausias paaiškinimas atrodė paprastas ir intuityvus: katė tarsi gauna pirminį sukimąsi tą akimirką, kai ją paleidžia – pavyzdžiui, nuo žmogaus rankos – o paskui tik „tęsia“ šį judesį žemyn. Bėda ta, kad niekas to negalėjo vienareikšmiškai įrodyti.

Lūžis atėjo 1894 m., kai prancūzų fiziologas Étienne-Jules Marey pasitelkė tuo metu revoliucinę serijinės fotografijos techniką. Jis nufotografavo krentančią katę kadrą po kadro ir parodė tai, kas daugeliui buvo šokas: gyvūnas krenta beveik be pradinio sukamųjų judesių momento, tačiau skrydžio metu sugeba pakeisti savo kūno padėtį beveik 180 laipsnių. Nuo tos akimirkos „gyvenimiška istorija“ virto visaverte moksline problema. Nebegalima buvo visko paaiškinti atsitiktiniu stumtelėjimu ar filmavimo gudrybėmis.

Ne mažiau svarbu ir tai, ko Marey nepamatė. Nuotraukose nesimato jokio „sraigtelio“ iš uodegos ar staigių judesių, leidžiančių manyti, kad katę ore suka oras tarsi malūno sparnus. Dar daugiau: vėlesni stebėjimai parodė, kad ir katės be uodegos puikiai sugeba atlikti šį manevrą. Uodega gali padėti stabilizuoti kūną, tačiau nėra esminė dėlionės dalis. Svarbiausia tai, kad krisdama katė nesielgia kaip vientisas, standus blokas.

Labirintas supranta, kur yra apačia, dar prieš suspėjant akims

Norint apskritai pradėti sukimąsi, organizmas turi „žinoti“, kur yra apačia. Katės atveju šią informaciją suteikia pirmiausia vidinės ausies prieangio sistema – labirintas. Tai biologinis pagreičio ir galvos padėties Žemės traukos atžvilgiu jutiklis, veikiantis greičiau už regą ir nepriklausomai nuo jos.

XX a. devintajame dešimtmetyje atlikta keletas elegantiškų vystymosi tyrimų su kačiukais. Mokslininkai nagrinėjo, kaip formuojasi vadinamasis oro tiesinimo refleksas kačiukams, kurie nuo gimimo buvo netekę regos stimulų. Rezultatai buvo aiškūs: akli kačiukai išsiugdė normalų oro tiesinimo refleksą beveik tuo pačiu metu kaip ir regintys. Tai buvo tvirtas įrodymas, kad pagrindinis šio manevro „valdiklis“ yra labirintas, o ne akys.

Neurofiziologiniai tyrimai tai tik patvirtino. Matyti, kaip iš pusiausvyros organo sklindantys signalai pasiekia motorinius centrus smegenyse ir sukelia tiksliai suderintą kaklo, liemens ir galūnių raumenų aktyvavimo seką. Tai ne poetiška metafora, o gerai aprašytas nervinis tinklas. Paprastai tariant, krentanti katė pirmiausia „nustato“ galvos padėtį Žemės traukos atžvilgiu. Galva veikia kaip biologinis giroskopas. Tik po to likusi kūno dalis gauna signalą, kaip turi pasisukti.

Paradoksas, kuris nebėra paradoksas: kampinis momentas praktiškai

Didžiausia mįslė – kaip katė apskritai gali apsiversti, jei skrydžio metu į ją neveikia jokie išoriniai sukimo momentai? Klasikinėje fizikoje galioja kampinio momento tvermės dėsnis: jei į sistemą iš išorės neveikia sukimo momentas, jos bendras kampinis momentas negali pakisti. Katė pradeda kristi beveik nesukdama kūno, todėl, atrodytų, taip turėtų kristi ir toliau. Tačiau ji vis dėlto sugeba apsiversti.

Šio tariamo paradokso sprendimas pateiktas 1969 m., kai pasirodė šiandien jau klasikinis Thomo R. Kane’o ir Malcolmo P. Scher’o modelis. Vietoj to, kad katę laikytų vientisu standžiu kūnu, tyrėjai ją aprašė kaip keletą segmentų, sujungtų elastinga „jungtimi“ – praktiškai, stuburu. Tokia sistema gali keisti savo kūno orientaciją erdvėje nepažeisdama kampinio momento tvermės, jei skirtingos jos dalys sukasi viena kitos atžvilgiu priešingomis kryptimis.

Paprastai tai galima įsivaizduoti taip: katė tarsi „padalija“ savo kūną į priekinę ir užpakalinę dalį. Pirmiausia ji pritraukia priekines letenas, o užpakalines ištiesta. Tada priekinė kūno dalis turi mažesnį inercijos momentą ir lengviau sukasi; užpakalinė, labiau ištiesta dalis, sukasi mažiau ir priešinga kryptimi. Po to vaidmenys pasikeičia: priekinė dalis išsitiesia, užpakalinė – pritraukiama. Kelios tokios sekos leidžia visam kūnui pakeisti padėtį erdvėje, nors bendras kampinis momentas išlieka toks pat, kaip reikalauja fizika.

Visa tai skamba gana abstrakčiai, kol nesuvokiame vieno svarbaus dalyko: ore nebūtina suktis kaip sraigtui, kad apsiverstum. Pakanka meistriškai keisti savo kūno formą. Jei žmogus būdamas nesvarumo būsenoje mėgintų apsiversti neatsispirdamas nuo jokio paviršiaus, jam nepavyktų, jei jis būtų visiškai standus. Tačiau tai taptų įmanoma, jei jis galėtų stipriai lankstyti liemenį ir kilnoti galūnes skirtingomis kryptimis. Katė daro būtent tai – tik nepalyginamai greičiau ir visiškai automatiškai.

Tobula anatomija tobulam manevrui

Mechanika paaiškina principą, bet neatsako, kodėl būtent katėms tai sekasi taip gerai. Atsakymo reikia ieškoti anatomijoje. Katės stuburas yra nepaprastai elastingas, o pečių lankas veikia kitaip nei žmogaus. Mentės nėra tvirtai sujungtos su likusiu skeletu – jos tarsi „pakibusios“ raumenų ir raiščių tinkle. Tai suteikia didžiulę judesių amplitudę ir leidžia stipriai lenkti liemenį.

Letenos veikia kaip inercijos reguliatoriai. Jų pritraukimas ar ištiesimas – tai ne vien pasirengimas nusileidimui, bet ir labai tikslus sukamojo judesio valdymas ore. Vystymosi tyrimai rodo, kad tai nėra išmoktas, dresūra įgyjamas triukas. Oro tiesinimo refleksas bręsta per pirmąsias gyvenimo savaites, kartu su nervų sistemos ir raumenų kontrolės vystymusi. Suaugusi katė galvodama „nesprendžia fizikos uždavinio“. Refleksas įsijungia automatiškai, o kūnas atlieka užprogramuotą judesių seką.

Visada ant keturių letenų? Tikrovė kur kas skaudesnė

Mitui apie „nemirtingą“ katę internetas suteikė naują gyvenimą, tačiau veterinarijos klinikų kasdienybė rodo kitą realybės pusę. Klasikiniame 1987 m. Whitney ir Mehlhaff darbe, kuriame aprašytas vadinamasis „high-rise sindromas“, išnagrinėta per šimtą kačių, nukritusių iš didelio aukščio, atvejų. Daug jų išgyveno, tačiau įvairūs sužalojimai – lūžiai, krūtinės ląstos pažeidimai, plaučių sumušimai – buvo labai dažni.

Tai svarbu, nes oro tiesinimo refleksui reikia laiko ir erdvės. Jei aukštis per mažas, katė tiesiog nespėja pilnai apsiversti ir tinkamai ištiesti letenų. Jeigu aukštis didelis, atsiranda papildomas etapas: katės išskleidžia letenas, padidina oro pasipriešinimą, stabilizuoja kūno padėtį ir taip kiek sumažina smūgį, kai paliečia žemę. Tai vis dar fizika ir biomechanika, tačiau jau priartėjusi prie traumos medicinos ribos.

Kodėl tai vis dar žavi mokslą?

Krentančios ir ant keturių letenų nusileidžiančios katės istorija puikiai parodo, kiek daug galima atrasti, nuodugniai nagrinėjant kasdienį reiškinį. Étienne-Jules Marey parodė, kad čia nėra jokio „starto triuko“. T. R. Kane’as ir M. P. Scher’as įrodė, kad šį judesį galima visiškai paaiškinti nepažeidžiant mechanikos dėsnių. Neurobiologija pridėjo dar vieną sluoksnį – tikslų judesių valdymą ir nervinius grandynus.

Šiandien tai jau ne tik įdomus faktas apie gyvūnus. Ta pati problema – kaip pakeisti kūno orientaciją be išorinio sukimo momento – iškyla robotikoje, biomechanikoje ir kuriant autonominius savaime atsitiesiančius įrenginius. Katė čia yra tikra meistrė ne todėl, kad „apgauna“ fiziką, o todėl, kad ja naudojasi iki paskutinės galimybės. Galbūt todėl šis vaizdas mūsų nepalieka abejingų, net jei esame jį matę šimtus kartų.