В университетском плавательном бассейне ученые и их подводные камеры внимательно наблюдают, как из пары металлических щипцов высвобождается спиральная раковина. Раковина начинает двигаться сама по себе, давая исследователям представление о том, как могли выглядеть океаны миллионы лет назад, когда они были полны этих вездесущих животных.

Это не Парк Юрского периода, но попытка узнать о древней жизни , воссоздав ее. В данном случае рекреации представляют собой роботов, напечатанных на 3D-принтере, имитирующих форму и движение аммонитов, морских животных . , которые предшествовали динозаврам и жили в одно время с ними.

Роботизированные аммониты позволили исследователям изучить вопрос о том, как форма раковины влияет на способность плавать. Они нашли компромисс между стабильностью в воде и маневренностью, предполагая, что эволюция аммонитовых раковин исследовала разные конструкции для получения разных преимуществ, а не сводилась к единственному лучшему дизайну.

«Эти результаты подтверждают, что не существует единой оптимальной формы оболочки», — говорит Дэвид Петерман, научный сотрудник факультета геологии и геофизики Университета Юты.

Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Оживление аммонитов

В течение многих лет Петерман и Кэтлин Риттербуш, доцент кафедры геологии и геофизики, изучали гидродинамику, или физику движения в воде, древних головоногих моллюсков, в том числе аммонитов. К головоногим сегодня относятся осьминоги и кальмары, и только одна группа имеет внешний панцирь — наутилусы.

До нынешней эры головоногие моллюски с панцирями были повсюду. Хотя их жесткие скрученные панцири мешали бы их свободному передвижению в воде, они были феноменально успешными с точки зрения эволюции, сохраняясь в течение сотен миллионов лет и переживая каждое массовое вымирание.

«Эти свойства делают их прекрасными инструментами для изучения эволюционной биомеханики, — говорит Петерман, — истории о том, как бентосные (донные) моллюски стали одной из самых сложных и мобильных групп морских беспозвоночных. Моя более широкая цель исследования — обеспечить лучшее понимание об этих загадочных животных, их роли в экосистеме и эволюционных процессах, которые их сформировали».

Петерман и Риттербуш ранее построили 3D-модели конусообразных головоногих моллюсков в натуральную величину и обнаружили, выпуская их в бассейны, что древние животные, вероятно, жили вертикально, подпрыгивая вверх и вниз в толще воды в поисках пищи. Движение этих моделей определялось исключительно плавучестью и гидродинамикой оболочки.

Но Петерман всегда хотел строить модели, более похожие на живых животных.

«Я хотел создавать роботов с тех пор, как разработал первые методы воспроизведения гидростатических свойств в физических моделях, и Кэтлин также всячески меня поощряла», — говорит Питерман. «Бортовая двигательная установка позволяет нам исследовать новые вопросы, касающиеся физических ограничений образа жизни этих животных».

Плавучесть стала главной проблемой Петермана. Ему нужно было, чтобы модели обладали нейтральной плавучестью, не плавали и не тонули. Он также нуждался в том, чтобы модели были водонепроницаемыми, как для защиты электроники внутри, так и для предотвращения изменения хрупкого баланса плавучести при протекании воды.

Но дополнительная работа того стоит. «С помощью этих методов можно исследовать новые вопросы, — говорит Петерман, — включая сложную динамику струи, эффективность движения по инерции и трехмерную маневренность конкретных форм снарядов».

Три вида ракушек

Исследователи протестировали роботизированных аммонитов с тремя формами раковин. Они частично основаны на панцире современного наутилуса и модифицированы, чтобы представить диапазон форм раковин древних аммонитов. Модель, называемая серпентиконом, имела плотные обороты и узкую раковину, в то время как модель сфероконуса имела несколько толстых оборотов и широкую, почти сферическую раковину. Третья модель, оксикон, была где-то посередине: толстые завитки и узкая обтекаемая раковина. Вы можете думать о них, занимающих треугольную диаграмму, представляющую «конечные члены» с различными характеристиками оболочки.

«Каждый когда-либо существовавший планиспиральный головоногий находится где-то на этой диаграмме», — говорит Петерман, позволяя оценить свойства промежуточных форм.

После того, как 3D-модели были построены, настроены и взвешены, пришло время отправиться в бассейн. Работая сначала в бассейне профессора геологии и геофизики Бренды Боуэн, а затем в Багровой лагуне, Питерман и Риттербуш установили под водой камеры и фонари и выпустили роботизированных аммонитов, отслеживая их положение в трехмерном пространстве на протяжении примерно дюжины «прогонов» для каждого типа оболочки.

Нет идеальной формы оболочки

Анализируя данные экспериментов с пулом, исследователи искали плюсы и минусы, связанные с каждой характеристикой раковины.

«Мы ожидали, что для любых конкретных форм будут различные преимущества и последствия», — говорит Петерман. «Эволюция наделила их совершенно уникальным способом передвижения после того, как освободила их от морского дна с помощью заполненной газом раковины с камерами. Эти животные, по сути, представляют собой подводные лодки с твердым телом, приводимые в движение струями воды». По его словам, этот панцирь не очень хорош для скорости или маневренности, но головоногие моллюски со спиральными панцирями все же сохраняли удивительное разнообразие во время каждого массового вымирания.

«На протяжении всей своей эволюции головоногие моллюски с внешним панцирем преодолевали свои физические ограничения, бесконечно экспериментируя с вариациями формы своих спиральных раковин», — говорит Петерман.

Итак, какая форма раковины была лучшей?

«Идея о том, что одна форма лучше другой, бессмысленна, если не задать вопрос: «Лучше в чем?», — говорит Петерман. Более узкие оболочки обладали меньшим сопротивлением и большей устойчивостью при движении в одном направлении, что повышало их эффективность струи. Но более широкие, более сферические оболочки могли легче менять направления, вращаясь вокруг оси. Эта маневренность могла помочь им поймать добычу или избежать медленных хищников (например, других головоногих моллюсков с панцирем).

Петерман отмечает, что в некоторых интерпретациях многие раковины аммонитов рассматриваются как гидродинамически «низшие» по сравнению с другими, что слишком сильно ограничивает их движение.

«Наши эксперименты, наряду с работой коллег из нашей лаборатории, демонстрируют, что конструкции оболочек, которые традиционно интерпретируются как гидродинамически «неполноценные», могут иметь некоторые недостатки, но не являются неподвижными дрифтёрами», — говорит Петерман. «Для головоногих моллюсков с внешним панцирем скорость, безусловно, не единственный показатель производительности». Почти все варианты оболочки неоднократно появляются в какой-то момент в летописи окаменелостей, показывая, что разные формы давали разные преимущества.

«Естественный отбор — это динамический процесс, изменяющийся во времени и включающий многочисленные функциональные компромиссы и другие ограничения, — говорит он. высокие темпы эволюции».