Пухлые черепахи плавают лучше: первые модели плавающих животных

Больше — значит лучше, если ты кожистая морская черепаха.

Впервые исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон, Флоридского Атлантического университета (FAU) и Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) измерили силы, действующие на плавающее животное, и энергию, которую оно должно затрачивать для движения в воде.

Неожиданный вывод: более длинные и стройные черепахи — менее эффективные пловцы, чем более округлые, которые получают больше "толчка за свои деньги".

Проведя эти измерения, команда под руководством Уоррена Портера из UW-Madison построила модели плавающих черепах. Это позволило другим "рассчитать энергетику, поведение и распространение вида в любой точке Земли сейчас или в будущем", — говорит Портер, профессор зоологии. Результаты опубликованы в журнале PLOS One.

Поскольку изменение климата смещает пригодные для обитания ареалы наземных и морских животных, а ученые пытаются реконструировать древние места обитания давно исчезнувших видов, способность оценивать и прогнозировать физическое взаимодействие животного со средой становится ключевой. Исследователи видят свою работу полезной для всех: от управляющих земельными ресурсами до палеоэкологов, студентов и защитников природы.

"Если у вас есть механистические модели, то, какие бы сценарии для окружающей среды вы ни хотели протестировать, вы можете запустить эти модели и быть уверенными, что они дают хорошие цифры", — говорит Портер, ранее разработавший модель для наземных животных.

Но достичь этого было непросто.

Несколько лабораторий пытались смоделировать движение животных в воде, но "плавающих животных очень и очень сложно измерить экспериментально", — говорит Портер. "Очень сложно получить данные о сопротивлении и тяге".

Никто раньше не мог измерить гидродинамику плавающего существа или энергетические затраты на движение в воде. Это позволяет ученым измерить критически важные аспекты биологии, например, сколько пищи животное должно съесть, чтобы выжить.

Случайность связала Портера и ведущего автора исследования Питера Дадли, бывшего аспиранта лаборатории Портера, с учеными из FAU, которые в итоге помогли решить проблему.

Джинетт Уайнекен, профессор биологических наук FAU, разработала методы содержания новорожденных кожистых черепах в лаборатории для исследований. Она и ее бывшие студенты создали систему привязи, позволяющую черепахам свободно плавать, оставаясь в безопасности; черепахи не распознают препятствия и могут легко травмироваться в своих вольерах.

Портер, Дадли и Тодд Джонс — бывший аспирант Уайнекен, а ныне физиолог NOAA — прикрепили черепах к приборам, которые позволили измерить силу, которую они создают при плавании. Они также измерили потребление черепахами кислорода (прямой показатель метаболизма) и теплообмен с окружающей средой. Все это время ученые снимали крошечных черепах на видео.

Затем команда воссоздала виртуальную среду с плавающей черепахой, чтобы проверить, смогут ли они предсказать, сколько энергии использует черепаха. Дадли, чье образование связано с инженерией, говорит, что Портер использует в своей лаборатории "прикладные" инженерные инструменты.

Они масштабировали модель для трехмерного движения плавающих молодых кожистых черепах, чтобы определить мощность и скорость теплопередачи во время гребков ластами более крупного животного.

Именно здесь, изменяя параметры своих виртуальных черепах, исследователи узнали, что крепкие черепахи — лучшие пловцы, чем их более стройные сородичи.

"Это было неожиданно, и я сначала подумал, что это ошибка", — говорит Дадли, который в итоге выяснил, что ласты более тонких черепах сближаются в нижней точке гребка сильнее, чем у более крупных черепах, что приводит к потере мощности.

Именно этот вопрос — как размер тела взаимодействует с физической средой, ограничивая эволюционный дизайн, — лежит в основе выводов исследования.

"Теперь мы буквально можем проектировать животных и спрашивать, как они будут функционировать, прямо как автомобиль или ракетный корабль", — говорит Портер. В настоящее время он участвует в инициативе UW-Madison под названием Climate Quest, конкурсе по решению проблем изменения климата, и применяет этот опыт.

В своем проекте он оценивает влияние изменения климата на производство молока у молочных коров, чтобы "вести отбор коров на 50 или 100 лет вперед" для улучшения производства как сейчас, так и в условиях другой планеты.

"Теперь, когда у нас есть модели как для морской, так и для наземной среды, мы можем отвечать на такие вопросы и вернуться к крупным массовым вымираниям, чтобы получить представление о том, как животные жили до и после этих вымираний", — говорит Портер. "Почему животные, которые выжили, смогли выжить?"

Исследователи сотрудничали с Риккардо Боназза, профессором инженерной физики UW-Madison, для разработки моделей плавающих черепах. И именно художественный факультет, по словам Портера, позволил им создать виртуальную плавающую черепаху.

"Когда вы смотрите на проблему, чем больше разных способов вы можете на нее посмотреть, чем больше разных точек зрения вы можете получить, тем больше идей у вас может быть о том, как с ней справиться и... в каких разных направлениях можно двигаться", — говорит Портер.