Воскрешение вымерших головоногих моллюсков с помощью биомиметических роботов для изучения гидродинамической стабильности, маневренности и физических ограничений образа жизни.

Jul 15, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 11287 (2022) Цитировать эту статью

2860 Доступов

4 цитаты

229 Альтметрика

Подробности о метриках

Головоногие моллюски с внешним панцирем и спиральными планиспиральными раковинами были экологически успешными на протяжении сотен миллионов лет. Эти животные демонстрировали поразительное морфологическое различие, отражающее сопоставимые различия в физических свойствах, которые ограничивали бы их образ жизни и экологическую роль. Чтобы исследовать эти ограничения, были напечатаны на 3D-принтере самоходные, нейтрально плавучие биомиметические роботы четырех различных морфологий. Эти роботы были спроектированы так, чтобы принимать ориентацию, рассчитанную на основе виртуального гидростатического моделирования, и одновременно производить тягу, подобную Наутилусу. Сжатые морфотипы имели улучшенную гидродинамическую стабильность (эффективность движения по инерции) и испытывали меньшее сопротивление при движении назад. Однако надутые морфотипы обладали улучшенной маневренностью при вращении вокруг вертикальной оси. Эти различия подчеркивают неизбежный физический компромисс между гидродинамической стабильностью и маневренностью по рысканью, подчеркивая различные функциональные преимущества и ограничения образа жизни в морфопространстве головоногих моллюсков. Этот компромисс показывает, что не существует единой оптимальной морфологии раковины, и объясняет успех и итеративную эволюцию разрозненных морфологий на протяжении длительного времени, включая необтекаемые формы.

Летопись окаменелостей документирует, как жизнь развивала функциональные решения экологических проблем — от внезапных катастроф на фоне глобальных массовых вымираний до повсеместных препятствий, которые сохраняются и сегодня. На протяжении веков морские животные сталкивались с этими проблемами, разрабатывая множество решений для навигации в своей физической среде (т.е. управления плавучестью, эффективностью плавания и маневренностью1,2). Самая полная макроскопическая летопись окаменелостей функциональной анатомии за последние полмиллиарда лет принадлежит животным, которые почти исчезли из сегодняшних морей: головоногим моллюскам с внешним панцирем (эктокохлеатам). Сегодня колеоидные головоногие моллюски (например, кальмары, осьминоги и каракатицы) являются жизненно важными компонентами глобальных экосистем и рациона человека3,4. В отличие от их незначительного вклада сегодня, эктохлеатные головоногие моллюски доминировали в трофическом обмене во многих древних океанических экосистемах. Хотя колеоиды считаются наиболее сложной и подвижной группой моллюсков, наиболее фундаментальные плавательные способности и селективные преимущества большинства когда-либо существовавших головоногих моллюсков (например, аммоноидеев и наутилоидей) остаются загадкой. Внешние раковины этих животных уже давно служат ценными окаменелостями по всему миру5,6. Однако эти окаменелости могут также дать ключевую информацию об образе жизни и экологии их некогда живших собратьев. Их внешние раковины ограничивают каждый внутренний компонент (мягкое тело животного и камеры плавучести), что позволяет детально реконструировать различные гидростатические свойства (плавучесть, жизненная ориентация, устойчивость и эффективность направленного движения7,8,9,10,11). Более того, раковина сформировала интерфейс животное-среда, который определял возможность или поражение ряда стратегий передвижения12,13,14,15,16. К настоящему времени более чем полвека интенсивных палеоэкологических исследований выкристаллизовали характеристики возможностей плавания эктокохлеатов - или их отсутствия - на основе их внешней формы раковины10,12,13,15,16,17,18,19,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Надежная схема, связывающая морфологию с экологическими ролями, кажется почти достижимой, но чрезмерно упрощенный подход не позволит понять, как эти животные выработали решения проблем, вызванных экологическими кризисами и ежедневным естественным отбором.

Принятые реконструкции плавательных способностей древних головоногих созрели для возобновления исследований с использованием новых технологий. Десятилетия экспериментов и вычислений пролили свет на некоторые связи первого порядка между морфологией раковины и гидродинамикой. Во-первых, и это наиболее интуитивно понятно, обтекаемые формы со сжатыми раковинами и низкой обнаженностью завитков (т.е. оксиконусы) подвергаются меньшему гидродинамическому сопротивлению (особенно в турбулентных режимах потока12,13,18,19,20,28,32,33). Эти морфологии обычно интерпретируются как нектон24, способный достигать более высоких скоростей плавания. Напротив, надутые формы (т.е. сфероконусы) подвергаются более высокому гидродинамическому сопротивлению в турбулентном потоке, но могут быть более эффективными при меньших масштабах и/или скоростях (т.е. при более низких числах Рейнольдса13,19,20,32). Недавнее компьютерное моделирование показало, что серпентиконы (формы, обнажающие свои ранние обороты) не испытывают гораздо большего сопротивления, чем оксиконы, несмотря на их сложную топологию боковых сторон20. Таким образом, инфляция раковин, похоже, приводит к компромиссу с эффективностью, которая зависит как от размера, так и от скорости. В дополнение к общей геометрии раковины, несколько гидродинамических факторов второго порядка усложняют взаимосвязь между формой и гидродинамикой. Пропульсивная тяга зависит от продолжительности, частоты и итерации струи16,34. Эффективность движения тесно связана с гидростатикой позы и ориентации струи7,10,11,34,35,36. Тонкие внешние особенности формы — кили; обнажение пупка; орнамент ребер или шипов37 — оказывает существенное, но нелинейное воздействие на общую силу сопротивления23. Логические аргументы и интенсивное компьютерное моделирование позволяют предположить, что разные комбинации форм раковин первого и второго порядка будут вызывать радикально разные гидродинамические возможности для передвижения. 39. Многие из предложенных конкретных сценариев и предложенных компромиссов основаны на рассуждениях, которые мотивируют повторное внимание посредством строгой количественной оценки. Несмотря на огромный объем работ по гидродинамике эктохлеатных головоногих моллюсков, мы по-прежнему не уверены, были ли локомоционные потенциалы разной морфологии раковин когда-либо контролем первого порядка в экологии или неизбежной целью естественного отбора.