Роботизированные аммониты воссоздают движения древних животных
В университетском бассейне ученые с подводными камерами наблюдают, как спиральная раковина высвобождается из металлических щипцов. Раковина начинает двигаться самостоятельно, позволяя исследователям заглянуть в прошлое океанов, которые миллионы лет назад были полны этих повсеместно распространенных животных.
Это попытка изучить древнюю жизнь, воссоздав ее. В данном случае воссоздания — это напечатанные на 3D-принтере роботы, повторяющие форму и движение аммонитов, морских животных, существовавших как до, так и одновременно с динозаврами.
Роботизированные аммониты позволили исследователям изучить, как форма раковины влияла на способность к плаванию. Они обнаружили компромисс между устойчивостью в воде и маневренностью, что указывает на то, что эволюция раковин аммонитов исследовала разные конструкции для разных преимуществ, а не стремилась к единой лучшей форме.
«Эти результаты вновь подтверждают, что не существует единой оптимальной формы раковины», — говорит Дэвид Петерман, постдокторант кафедры геологии и геофизики Университета Юты.
Исследование опубликовано в Scientific Reports.
«Оживление» аммонитов
Петерман и Кэтлин Риттербуш, доцент геологии и геофизики, годами изучали гидродинамику (физику движения в воде) древних раковинных головоногих, включая аммонитов. Сегодня к головоногим относятся осьминоги и кальмары, и только одна группа имеет внешнюю раковину — наутилусы.
В доисторические времена головоногие с раковинами были повсюду. Хотя их жесткие спиральные раковины ограничивали свободное движение в воде, эволюционно они были невероятно успешны, просуществовав сотни миллионов лет и пережив все массовые вымирания.
«Эти свойства делают их отличными объектами для изучения эволюционной биомеханики, — говорит Петерман. — Моя более широкая исследовательская цель — лучше понять этих загадочных животных, их роль в экосистеме и эволюционные процессы, которые их сформировали».
Ранее Петерман и Риттербуш создавали полноразмерные утяжеленные 3D-модели конических раковин головоногих и, отпуская их в бассейне, обнаружили, что древние животные, вероятно, вели вертикальный образ жизни, перемещаясь вверх и вниз в толще воды в поисках пищи. Движения этих моделей определялись только плавучестью и гидродинамикой раковины.
Но Петерман всегда хотел создать модели, более похожие на живых животных.
«Двигательная установка на борту позволяет нам исследовать новые вопросы, касающиеся физических ограничений в образе жизни этих животных», — говорит он.
Главной проблемой стала плавучесть. Модели должны были быть нейтрально плавучими — не всплывать и не тонуть. Они также должны были быть водонепроницаемыми, чтобы защитить электронику внутри и предотвратить изменение хрупкого баланса плавучести из-за протечек.
Три типа раковин
Исследователи протестировали роботизированных аммонитов с тремя формами раковин, частично основанных на раковине современного наутилуса и модифицированных для представления диапазона форм древних аммонитов:
- Серпентикон: плотные обороты и узкая раковина.
- Сферокон: мало толстых оборотов и широкая, почти сферическая раковина.
- Оксикон: промежуточная форма — толстые обороты и узкая, обтекаемая раковина.
Эти модели представляют собой «крайние варианты» различных характеристик раковины. «Каждый планиспиральный головоногий, когда-либо существовавший, располагается где-то на этой диаграмме», — говорит Петерман, что позволяет оценить свойства промежуточных форм.
После создания, оснащения и утяжеления 3D-моделей настало время для испытаний в бассейне. Петерман и Риттербуш установили под водой камеры и свет и отпускали роботизированных аммонитов, отслеживая их положение в 3D-пространстве в течение примерно дюжины «заплывов» для каждого типа раковины.
Нет идеальной формы раковины
Анализ данных экспериментов позволил исследователям выявить плюсы и минусы, связанные с каждой характеристикой раковины.
«Мы ожидали, что у любой конкретной формы будут различные преимущества и последствия», — говорит Петерман. «Эволюция наделила их уникальным способом передвижения, освободив от морского дна с помощью камерной, заполненной газом раковины. Эти животные — по сути, жесткотелые подводные лодки, движимые струями воды». Такая раковина не идеальна для скорости или маневренности, но головоногие со спиральной раковиной все же демонстрировали замечательное разнообразие, переживая каждое массовое вымирание.
«На протяжении своей эволюции внешнераковинные головоногие преодолевали физические ограничения, бесконечно экспериментируя с вариациями формы своих спиральных раковин», — говорит Петерман.
Так какая же форма раковины была лучшей?
«Идея, что одна форма лучше другой, бессмысленна без вопроса — "лучше в чем?"», — отвечает Петерман. Более узкие раковины испытывали меньшее сопротивление и были более устойчивы при движении в одном направлении, что повышало эффективность их реактивного движения. Но более широкие, сферические раковины могли легче менять направление, вращаясь вокруг оси. Эта маневренность могла помогать им ловить добычу или избегать медленных хищников (например, других раковинных головоногих).
Петерман отмечает, что некоторые интерпретации считают многие раковины аммонитов гидродинамически «неполноценными», слишком ограничивающими их движение.
«Наши эксперименты, наряду с работой коллег в нашей лаборатории, демонстрируют, что конструкции раковин, традиционно интерпретируемые как гидродинамически "неполноценные", могли иметь некоторые недостатки, но не были неподвижными дрейфующими объектами», — говорит он. «Для внешнераковинных головоногих скорость, конечно, не единственный показатель эффективности».
Почти каждый вариант конструкции раковины итеративно появляется в какой-то момент палеонтологической летописи, показывая, что разные формы давали разные преимущества.
«Естественный отбор — это динамичный процесс, меняющийся со временем и включающий множество функциональных компромиссов и других ограничений, — говорит Петерман. — Внешнераковинные головоногие — идеальные объекты для изучения этой сложной динамики из-за их огромного временного диапазона, экологической значимости, обилия и высоких темпов эволюции».