Minimal affaldsproduktion er en grundlæggende lov for dyrs bevægelse

Er der et samlende princip, der understøtter dyrenes bevægelse i dens rige mangfoldighed? En termodynamisk analyse udført af en Skoltech-professor og hans franske samarbejdspartnere ved Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, og Muséum national d'Histoire Naturelle, viser, hvorfor og hvordan affaldsminimering råder over effektivitet eller effektmaksimering, når det kommer til fri bevægelse, uanset tilgængelig tilstand og gangarter. Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

"Bevægelse er et kendetegn for dyrelivet, " siger Skoltech-professor Henni Ouerdane, "og det er derfor, det har fascineret tænkere siden i hvert fald Aristoteles' tid." Prof. Ouerdane tilføjer, at "i slutningen af ​​det 19. århundrede Eadweard Muybridges opfindelse, zoopraxiskopet, en forløber for filmen, hypnoterede menneskemængder, der er vidne til biomekanikkens smukke kompleksitet; og at detaljerede sammenligninger mellem levende og menneskeskabte maskiner naturligt fulgte, men med meget begrænset succes til at forklare livet."

For de menneskeskabte maskiner, maksimering af energikonverteringseffektivitet er et must for at spare ressourcer, men gælder det for dyr, når de bevæger sig frit? At besvare dette spørgsmål udgør en formidabel udfordring i betragtning af dyrelivets og levestedernes mangeartede karakter. Magtmaksimering er det åbenlyse mål under stressende sammenhænge, bytte jager eller flygter; men intet klart princip, hvis nogen, syntes at gælde for fri bevægelse. Faktisk, det detaljerede samspil mellem energistyring og bevægelse, og især optimering af energiforbrug på tværs af gangarter, altid forblevet undvigende.

Prof. Ouerdane og hans vigtigste samarbejdspartner, Prof. Christophe Goupil, havde tidligere grundigt studeret termodynamikken i uligevægt af energiomformere, men springet til livets fysik var et skræmmende perspektiv. Ja, Formuleringen af ​​en generisk kompakt model for bevægelse af meget komplekse systemer såsom levende organismer syntes uden for rækkevidde. "Selvfølgelig, litteraturen om emnet er rig og rigelig, men mange modeller er afhængige af store sæt tilpasningsparametre for at reproducere en del af den observerede energi af muskelaktivitet, hvilket på en eller anden måde hindrer en klar vision af de termodynamiske processer på arbejde. Yderligere, den grundlæggende muskelmodel stammer fra originale værker ved hjælp af døde, dissekerede muskler, mens man ønsker at forstå den kemisk-til-mekaniske energiomdannelse i levende organismer, " siger prof. Goupil.

Det første skridt til en termodynamisk bevægelsesmodel var en egentlig model for metabolisk energiomdannelse, levende muskler. Dette arbejde, offentliggjort i New Journal of Physics i 2019, af prof. Ouerdane og hans samarbejdspartnere, understregede nødvendigheden af ​​nøje at overveje de særlige grænsebetingelser, som en levende muskel under belastning udsættes for, og deres feedback-effekter relateret til den metaboliske intensitet. Deres arbejde byggede således bro over en enestående kløft mellem inerte muskelmodeller og levende muskler, der blev sat i arbejde af et faktisk dyr.

"I vores seneste arbejde, at introducere energiomkostningerne ved indsatsen, vi afslørede et fundamentalt ekstremt princip i den uligevægtige termodynamik af dyrs bevægelse:fri bevægelse indebærer minimering af metabolisk affaldsproduktion. Vi brugte offentliggjorte eksperimentelle data til at gå, trav, og galop, hver gang repræsenterer forskellige biomekaniske arbejdsforhold. Vi genfandt tendenserne med vores model, og gav ny indsigt i dyrs bevægelse, og rækker derfor ud over vores casestudie, " siger prof. Ouerdane.

Denne forskning bidrager til betydelige fremskridt i forståelsen af ​​bevægelse i ethvert miljø (terrestrisk, antenne, akvatisk) uafhængigt af fylogenien. Interessant nok, det kaster også lys over et naturligt princip, der kan drive det innovative design af fremtidens menneskeskabte affaldseffektive maskiner, og det kan også fodre bioinspireret robotteknologi til problemer relateret til, f.eks., proprioception og variabel mekanisk impedans af aktuatorer, hvilket igen kunne fremme udviklingen af ​​fysikbaserede teorier om livet.