Как рыбы плавают: механические основы эволюции волнообразных пловцов
Исследователи из Северо-Западного университета выявили ключевые механические свойства, позволяющие рыбам совершать сложные движения. Результаты, опубликованные 13 июня в PLOS Computational Biology, могут пролить свет на эволюционную биологию, нейронный контроль движения и помочь в создании биовдохновленных подводных аппаратов.
Оптимальные параметры для выживания
С помощью вычислительных методов ученые проверили эволюционные предпочтения. Они обнаружили, что наиболее успешными являются виды с низкой частотой активации мышц и высокой жесткостью тела, определив оптимальные значения для каждого свойства.
- Предсказанная жесткость для эффективного плавания совпадает с экспериментально измеренной жесткостью волнообразных пловцов, имеющих позвоночник.
- Это говорит о том, что предшественники позвоночника давали животным оптимальную жесткость тела, что могло быть механически выгодно для эволюционного возникновения плавающих позвоночных.
Устойчивость к изменениям и контроль движений
Исследование также показало, что способность к плаванию, хотя и зависит от механических параметров, не чувствительна к малым межпоколенческим изменениям. Если жесткость тела превышает определенный порог, скорость плавания перестает от нее зависеть.
Анализ кривизны волнообразных изгибов показал, что сложная на вид деформация тела возникает в результате простого паттерна движений (один изгибающий момент), а не требует точного контроля в каждой точке тела.
Новый подход в моделировании
Для расчетов ученые впервые применили к телу рыбы физическую модель «пружина–масса–демпфер», обычно используемую для описания систем, теряющих энергию (например, подвеска автомобиля).
Этот подход впервые объединил концепции активного (двигательная сила изнутри рыбы) и пассивного (сила от окружающей воды) плавания, рассчитав условия, необходимые для обоих режимов.