Древние позвоночные могли ходить под водой за миллионы лет до выхода на сушу
В 2018 году малый скат, рыба размером со сковороду, вызвал большой резонанс в эволюционной биологии. Исследователи из Нью-Йоркского университета обнаружили, что малые скаты, которые «шаркают» по морскому дну на двух похожих на ноги плавниках, используют те же моторные нейроны и гены, которые помогают ходить людям и другим наземным позвоночным.
Это указывало, что нейронные сети, необходимые для ходьбы, могли уже присутствовать у общего предка скатов и млекопитающих около 420 миллионов лет назад — за миллионы лет до того, как первые рыбы выбрались из океана.
Но как именно ходили наши древние водные предки? Ископаемая летопись сохранила их кости, но нейромышечная система и пути, контролировавшие движение, утеряны.
Здесь могут помочь теоретические модели, чтобы прояснить диапазон и сложность различных стратегий.
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) разработали математическую модель, объясняющую, как могла развиться подводная ходьба. Они выяснили, что древние предки скатов и людей могли достичь эффективной подводной ходьбы, используя доступную морфологию тела с минимальными затратами энергии и простым управлением.
Исследование опубликовано в Journal of The Royal Society Interface.
Учёные показали, что поочерёдная походка «лево-право», используемая скатами и другими позвоночными, возникает при простом алгоритме на основе обучения с подкреплением, что согласуется с простой теоретической моделью. Чтобы проверить модель, исследователи построили двуногого робота и показали, что его поведение схоже с поведением в модели.
«Наше исследование — ещё один элемент пазла в понимании эволюции ходьбы на конечностях. Мы показали, что при наличии рудиментарной морфологии существуют простые законы управления, которые приведут к очень эффективной локомоции. Физика даёт нам всё необходимое для того, чтобы ходьба под водой была возможна», — сказал Фабио Джардина, первый автор статьи.
«Комбинация стабильной низкогравитационной среды и морфологии тела с конечностями могла хорошо подготовить почву для двуногих походок ещё до того, как наши водные предки перешли на твёрдую землю. По мере перехода наших древних предков на сушу стратегия управления, вероятно, усложнилась. Но в стабильно однородных средах, таких как морское дно, возможно, была нужна лишь простая стратегия», — сказал Л. Махадеван, старший автор статьи.
Помимо пролития света на прошлое, это исследование открывает путь к проектированию более эффективных биоинспирированных роботов в будущем.
«Помимо энергоэффективной локомоции, мы обнаружили, что наш робот может восстанавливаться после сильных возмущений без активной коррекции — свойство, которое мы связываем с адаптацией дизайна к физической среде. Мы считаем, что этот подход поможет нам создавать более эффективных и устойчивых шагающих роботов в будущем», — сказал Джардина.
«Наша работа добавляет доказательств тому, что для истинного понимания поведения или его синтеза с помощью роботов необходимо учитывать взаимодействие между мозгом, телом и окружающей средой», — сказал Махадеван.