Будут ли животные плавать по-другому на чужой планете?

Черная призрачная рыба-нож является одним из 22 водных животных, которые являются частью исследования Северо-Западного университета, сообщающего, что очень разнообразные животные эволюционировали, чтобы плавать с удлиненными плавниками, используя то же механическое движение, которое оптимизирует их скорость, помогая им выжить.

Если плавающие животные с плавниками эволюционировали в океане на чужой планете, как они будут выглядеть? Вполне возможно, что они очень похожи на те, что на Земле, говорит команда исследователей.

Новое исследование, которое изучило движение некоторых плавающих видов в океане, обнаружило удивительное и элегантное соотношение, встроенное в то, как они двигаются. Это соотношение, описанное в журнале PLOS Biology, раскрывает удивительный случай конвергентной эволюции над разнообразным массивом неродственных животных – и может помочь инженерам построить лучшие плавательные роботы.

Предыдущая работа показала, что есть поразительные сходства в том, как животные перемещаются через жидкости (будь то вода или воздух). Это часть тенденции к пониманию детальной физики движения животных-возможно, с намерением использовать эти правила движения для разработки более гибких роботов, сказал Джон Костелло, морской биолог из колледжа Провиденса в Род-Айленде, который не участвовал в работе.

«Я действительно думаю, что это часть растущей волны понимания биологического движения…. В течение многих лет люди были удовлетворены общими сведениями о производстве тяги», — сказал Костелло, который исследовал общие закономерности движения между плавающими и летающими видами.

Команда исследователей из Северо-Западного университета впервые задалась вопросом об общих правилах передвижения после изучения Черного призрачного ножа. Черная призрачная рыба-нож живет в пресноводных ручьях в Южной Америке, и она передвигается в основном с помощью волнистого плавника, прикрепленного к ее нижней стороне. Это не похоже на более известных рыб, таких как форель или лосось, которые размахивают хвостом (и задней частью своего тела) вперед и назад. Вместо этого, рыба-нож заставляет волну волнообразно двигаться вниз по ее тонкому плавнику, который проходит большую часть длины ее тела.

Существует целый ряд морских тварей, которые двигаются подобным образом, называемых плавниками; у некоторых есть один плавник, идущий вдоль их тела, в то время как у других есть пара, по одному с каждой стороны. Иногда (в случае каракатицы, родственницы кальмара) это заставляет их выглядеть так, как будто они носят развевающуюся пачку.

Во время своей предыдущей работы над призрачным черным ножом ученые заметили, что максимальная скорость рыбы происходит, когда в общей сложности две волны движения могут поместиться по длине ее плавника, и они задавались вопросом, Может ли быть общее правило для разных видов.

Ученые изучили 22 очень разных вида плавников с плавниками, используя видеозаписи, лабораторные исследования и компьютерное моделирование, чтобы определить, какая картина, если таковая существует, может существовать. Они даже подрезали плавник плавающего робота, который выглядел как торпеда с лентой, натянутой под ней – чтобы посмотреть, имеет ли это какое-то значение.

Они обнаружили, что в их движении действительно была какая – то закономерность-хотя это было не совсем то, чего они ожидали. По мере того как он двигался, каждое животное, казалось, следовало определенной схеме: соотношение между длиной каждой волнистой длины волны и амплитудой (или высотой) каждой длины волны составляло примерно 20 к 1. То есть каждое полное покачивание плавника рыбы назад и вперед было в 20 раз длиннее, чем его ширина. Для каждого вида, который они изучали, включая коньки, скаты, черную призрачную рыбу-нож, каракатицу и Персидского коврового плоского червя-это соотношение оставалось 20 к 1.

«Мы обнаружили, что в каждом животном, для которого имеются данные, наш прогноз был правильным», — сказал Нилеш Патанкар, инженер-механик из Northwestern и один из ведущих авторов работы.

Этот паттерн сохранился, хотя и в трех различных типах, и включал как беспозвоночных, так и позвоночных животных. Исследователи считают, что этот паттерн движения независимо возникал, по крайней мере, восемь раз, потому что это паттерн, который максимизирует способность пловца эффективно двигаться со скоростью. Там может быть еще тысяча плавающих видов с плавниками, которые имеют такое же соотношение, сказали авторы.

«Физика накладывает ограничения на виды решений, которые природа может иметь и выживать», — сказал Патанкар.

И если бы сложная инопланетная жизнь была когда-либо найдена на другой планете, используя плавник, чтобы плавать, это же соотношение, вероятно, возникло бы, сказал соавтор Патанкара, Малкольм Макивер, биоинженер из Northwestern.

— Есть только определенное количество способов, которыми животные могут эффективно передвигаться, — заметил Макивер. Если эти инопланетные животные двигались через жидкую воду на другой планете, то применяются те же ограничения жидкости. — Вода есть вода, — сказал он.

Полученные результаты могут помочь ученым научиться лучше строить подводных роботов, которые плавают быстро и эффективно, добавили исследователи. Такие навыки имеют решающее значение, например, при отправке подводных аппаратов для борьбы с разливами нефти – и они еще не могут плавать с такой точностью,как эти животные.

«Существует реальная потребность в подводных роботах, которые могут двигаться с большей ловкостью», — сказал Макивер.

Следуйте @aminawrite на Twitter для получения дополнительной информации о науке из животного мира.

https://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-swimming-animals-convergent-evolution-ocean-bioinspired-alien-20150428-story.html

Ссылка на основную публикацию