Một con mèo bị thả rơi trong tư thế ngửa bụng. Chỉ trong khoảnh khắc rất ngắn, phần đầu của nó quay xuống trước, hai chân trước duỗi ra, thân mình vặn lại, rồi nửa thân sau xoay theo. Khi chạm đất, bốn chân đã ở đúng vị trí. Cảnh tượng ấy quen đến mức nhiều người xem đó như một “phép màu” bản năng của loài mèo. Nhưng với các nhà khoa học, khả năng tiếp đất bằng bốn chân từng là một bài toán hóc búa về chuyển động quay, mô-men động lượng và cách một cơ thể có thể tự xoay giữa không trung mà không có điểm tựa bên ngoài.
Bí ẩn kéo dài hơn một thế kỷ
Suốt hơn một thế kỷ, cú rơi của mèo đã được đưa vào các mô hình vật lý. Các nhà nghiên cứu cố gắng giải thích vì sao một vật thể đang rơi, không nhận thêm lực xoắn từ bên ngoài, vẫn có thể đổi hướng cơ thể. Tuy nhiên, cách nhìn thuần cơ học ấy có một giới hạn: mèo không phải hai khối trụ nối với nhau bằng bản lề, càng không phải một vật thể vô tri.
Lời giải mới đến từ giải phẫu học. Một nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Yasuo Higurashi tại Đại học Yamaguchi, Nhật Bản, dẫn đầu đã phân tích độ linh hoạt của cột sống mèo. Thay vì chỉ mô phỏng mèo bằng phương trình, nhóm nghiên cứu đi vào cấu trúc thật của cơ thể loài vật này, đặc biệt là sự khác biệt giữa phần cột sống ngực và phần cột sống thắt lưng. Đây chính là chi tiết then chốt.
Phát hiện từ giải phẫu cột sống mèo
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học sử dụng mẫu cột sống mèo được hiến tặng cho công tác khám nghiệm bệnh lý. Các mô mềm như dây chằng và đĩa đệm được giữ lại để mẫu vật gần với trạng thái tự nhiên nhất có thể. Sau đó, họ đo lực cản khi từng phần cột sống bị xoắn.
Kết quả cho thấy cột sống mèo không mềm dẻo đồng đều từ đầu đến đuôi như nhiều người vẫn hình dung. Vùng cột sống ngực, nằm ở phần lưng trên và lưng giữa, có khả năng xoắn rất linh hoạt. Khu vực này tồn tại một “vùng trung hòa” rộng, tức khoảng chuyển động mà cột sống có thể vặn tương đối dễ dàng, gần như chưa gặp lực cản đáng kể. Ngược lại, vùng cột sống thắt lưng ở phần lưng dưới lại cứng hơn nhiều. Phần này gần như không có vùng trung hòa rõ rệt và nhanh chóng tạo ra lực kháng khi bị xoắn.
Nói đơn giản, phần trước cơ thể mèo được “thiết kế” để xoay nhanh và linh hoạt, trong khi phần sau đóng vai trò ổn định, giữ cho chuyển động không rơi vào hỗn loạn. Sự khác biệt ấy giúp giải thích những gì máy quay tốc độ cao từng ghi lại. Khi mèo rơi, nửa thân trước thường xoay về đúng hướng trước. Đầu, vai và hai chân trước nhanh chóng định vị lại. Sau đó, nửa thân sau mới xoay theo, giống như phần đuôi của một hệ thống đang được kéo vào quỹ đạo ổn định.
Bí quyết nằm ở sự phối hợp giữa mềm và cứng
Nếu cả cơ thể mềm lỏng như nhau, cú xoay có thể mất kiểm soát. Nếu toàn bộ cột sống quá cứng, mèo khó có đủ độ linh hoạt để tự lật người trong thời gian ngắn. Bí quyết nằm ở sự phối hợp giữa hai đặc tính tưởng như trái ngược: mềm để xoay, cứng để giữ ổn định. Phát hiện này không phủ nhận các định luật vật lý. Trái lại, nó cho thấy cơ thể sống đã tận dụng vật lý bằng một cấu trúc sinh học tinh vi.
Từ cuối thế kỷ 19, nhà sinh lý học người Pháp Étienne-Jules Marey đã dùng ảnh chụp liên tiếp để chứng minh mèo có thể tự lật mình khi rơi, ngay cả khi ban đầu bị thả ở tư thế ngửa bụng. Điều gây tò mò là trong không trung, mèo không có mặt đất, không có tường, cũng không có điểm tựa để “đạp” vào. Câu trả lời vật lý nằm ở cách chúng thay đổi hình dạng cơ thể. Mèo có thể co chân trước, duỗi chân sau, uốn cong thân mình, rồi đảo trạng thái để tạo ra các chuyển động xoay khác nhau giữa hai nửa cơ thể. Nhờ vậy, tổng mô-men động lượng vẫn được bảo toàn, nhưng từng phần cơ thể vẫn có thể đổi hướng tương đối với nhau.
Các mô hình trước đây từng mô tả mèo như một hệ gồm hai phần thân xoay ngược chiều, hoặc như một vận động viên trượt băng thay đổi tốc độ xoay bằng cách co, duỗi tay. Những mô hình đó không sai, nhưng còn đơn giản hóa quá mức.
Ý nghĩa với robot và y học thú y
Công trình mới cho thấy “bản lề” giữa hai nửa cơ thể mèo không hề đồng nhất. Cột sống của chúng có vùng xoay mềm và vùng giữ cứng, tạo nên chuỗi chuyển động có trật tự. Ý nghĩa của phát hiện này vượt ra ngoài câu hỏi vì sao mèo hay tiếp đất bằng bốn chân. Với y học thú y, việc hiểu rõ vùng nào của cột sống mèo linh hoạt, vùng nào chịu lực ổn định có thể hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các chấn thương liên quan đến vận động.
Với kỹ thuật robot, đây cũng là một gợi ý đáng chú ý. Các kỹ sư từ lâu đã tìm cách tạo ra những robot có khả năng giữ thăng bằng, tự xoay khi rơi hoặc phục hồi tư thế sau va chạm. Cơ thể mèo, với sự kết hợp giữa linh hoạt và ổn định, có thể trở thành một mẫu tham khảo sinh học cho các hệ thống máy móc trong tương lai.
Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng lưu ý rằng khả năng tiếp đất của mèo không đồng nghĩa với việc chúng “không bao giờ bị thương” khi rơi. Phản xạ xoay người chỉ giúp mèo tăng cơ hội tiếp đất ở tư thế thuận lợi hơn. Độ cao, mặt tiếp xúc, tình trạng sức khỏe, tuổi tác và chấn thương sẵn có vẫn có thể quyết định hậu quả của cú ngã. Điều khiến cú rơi của mèo trở nên đặc biệt không phải là nó chống lại vật lý, mà là cách một cơ thể sống được tiến hóa để vận dụng vật lý một cách khéo léo.
