Poesi i bevægelse:Ingeniører analyserer bevægelsens flydende fysik hos marinesnegle

I verdenshavene, milliarder af små havsnegle (en form for plankton) pendler dagligt mellem overfladevand, hvor de fodrer om natten, til dybder på flere hundrede meter i løbet af dagen for at hvile og samtidig undgå rovdyr. Havsnegle spiller en vigtig rolle i geokemiske kredsløb og klima:12-13% af den globale karbonatflux opstår, når calciumcarbonatskallerne fra døde snegle synker til dybet, hvor de opløses og bidrager til atmosfærisk kulstof og havforsuring. Men fordi de er svære at studere og ikke kan opbevares i laboratoriet, adfærden af ​​disse dyr - som bærer poetiske navne som havsommerfugle - er dårligt kendt, især for de subtropiske og tropiske egne, hvor deres mangfoldighed er størst.

Her, et hold af oceanografer og ingeniører, der specialiserer sig i forskning i krydsfeltet mellem væskefysik og biologi, film tropiske marinesnegles bevægelser og analyser disse både fra et flydende fysik og et økologisk perspektiv. De viser, at hver art har en særskilt stil med at svømme og synke, smukt at se, afhængig af formen på deres skal (oprullet, aflang, eller rund), kropsstørrelse, tilstedeværelse af flagrende "vinger", og hastighed. Den mindste, langsomste arter har sværere ved at svømme, fordi havvand er "klæbende" og mere tyktflydende for dem - i tekniske termer, med et lavere "Reynolds-tal" - hvilket påvirker vinklen, bane, og stabilitet i deres bevægelser.

"Vi ønskede at svare på, hvordan svømmeadfærden hos disse smukke dyr påvirkes af deres forskellige skalformer og størrelser. Vi fandt ud af, at arter med en skal formet som en flyvinge svømmer hurtigere og er mere manøvredygtige end dem med 'sneglelignende' oprullet skaller. At forstå disse dyrs svømmeevne hjælper os med bedre at forstå deres økologiske betydning og udbredelse i havet. Yderligere, som ingeniører, vi håber at lære af disse organismers svømmestil for at designe en ny generation af bio-inspirerede undervandsfartøjer, " siger den tilsvarende forfatter Dr. David Murphy, Adjunkt ved Department of Mechanical Engineering ved University of South Florida, Tampa, Florida.

Mellem 2017-2019, forskerne fangede flere individer af ni arter af marine snegle (0,9-13,1 mm lange) om natten ud for Bermuda, inklusive 7 arter af kosomatøse pteropoder ("havsommerfugle"), en art af gymnosomatøse pteropoder ("havsengle", som mangler en skal som voksne), og en art af atlantide heteropoder. De transporterede dem til laboratoriet, hvor de registrerede deres adfærd i et saltvandsakvarium med højhastigheds-stereofotogrammetri, en teknik, der sporer bevægelse i 3-D med et par kameraer. For hver art, de beregnede den absolutte og normaliserede hastighed (i forhold til kropslængde) under aktiv svømning og passiv synkning, hyppigheden af ​​vingebevægelser, nedstigningsvinklen under synkning, den snoede opstigningssti under svømning, og Reynolds-nummeret.

De viser, at hver art har et særskilt svømmemønster, generelt stigende i en savtandet spiral med 12-114 mm/s, eller 1-24 kropslængder i sekundet - svarende til en menneskelig mand af gennemsnitlig størrelse, der svømmer med op til 40 m pr. sekund. Sneglene synker med samme hastighed, men i en lige linje, i en vinkel på 4-30 ° i forhold til lodret.

"Vi konkluderer, at disse pelagiske snegles svømme- og synkeadfærd i høj grad svarer til skalform og størrelse. Små snegle med oprullede skaller svømmer langsommere, hvorimod større snegle med flaske- eller vingeformede skaller svømmer hurtigere, fordi deres større størrelser gør det muligt for dem at overvinde virkningerne af vandviskositet. svømmehastigheden hænger ikke sammen med, hvor langt disse dyr migrerer hver dag, hvilket tyder på, at lys- og temperaturniveauer og tilstedeværelsen af ​​rovdyr og bytte også spiller en rolle. Vi fandt også ud af, at havsommerfuglen med den vingeformede skal bruger sin skal til at 'hængeglide' nedad for at bremse dens synkning, " siger Murphy.

For at studere hver arts dybdepræferencer, Murphy et al. prøvede yderligere et stort antal snegle med et computerdrevet net, kaldet et Multiple Opening/Closing Net and Environmental Sensing System, 0-1000 m under overfladen. De brugte maskinlæring (baseret på billeder) og ribosomal DNA-stregkodning til at bestemme arter. Baseret på disse resultater, forskerne vurderer, at disse arter rejser 50-300 m om dagen, i en daglig lodret "pendling", der i alt tager 1-3,7 timer pr.

"Det er fuldstændig fascinerende at se disse små, sarte dyr slår med vingerne i virkelig komplekse bevægelser for i det væsentlige at flyve gennem vandet. Vi er heldige at have højhastighedskameraer, der kan bremse denne bevægelse nok til, at vi kan se den. Og det er forbløffende at tænke på, at disse havsommerfugle bruger de samme væskedynamikprincipper til at flyve gennem vand, som insekter bruger til at flyve gennem luften, " slutter Murphy.