Fysikken bag et vand bærer skælvende gangart

Fyldig og besværlig, tardigrades fik tilnavnet "vandbjørne", da videnskabsmænd først observerede de 0,02-tommer lange dyrs karakteristiske tømmende gangarter i det 18. århundrede. Deres dumpe plod, imidlertid, rejser spørgsmålet om, hvorfor tardigrader overhovedet udviklede sig til at gå.

Dyr så små og bløde som tardigrader har sjældent ben og gider næsten aldrig gå. For eksempel, runde orme af samme størrelse og kropstype slår rundt, slider deres dejformede former over uforudsigelige underlag. Men vandbjørnen, et mikrodyr så tydeligt, at forskere blev tvunget til at tildele det til sit eget phylum, bruger otte stumpe ben til usandsynligt at drive sig selv gennem hav- og ferskvandssediment, på tværs af ørkenklitter, og under jorden.

Nu, en ny undersøgelse i PNAS analyserer tardigrade -gangarter og finder ud af, at vandbjørne går på en måde, der mest ligner insekt 500, 000 gange deres størrelse. Opdagelsen indebærer eksistensen af ​​enten en fælles forfader eller en evolutionær fordel, der forklarer, hvorfor en af ​​de mindste og squishiest skabninger udviklede sig til at gå ligesom større, hårde insekter.

"Tardigrader har en robust og klar måde at bevæge sig på - det er ikke disse klodsede ting, der snubler rundt i ørkenen eller i bladaffald, "siger Jasmine Nirody, en stipendiat i Rockefellers Center for Studies in Physics and Biology. "Lighederne mellem deres lokomotivstrategi og langt større insekter og leddyr åbner op for flere meget interessante evolutionære spørgsmål."

Glatte løbere

Nirody og kolleger bestemte først, hvordan vandbjørne går og løber. "Hvis du ser tardigrader under et lysmikroskop længe nok, du kan fange en bred vifte af adfærd, "Siger Nirody." Vi tvang dem ikke til at gøre noget. Nogle gange ville de være virkelig afslappede og ville bare slentre rundt i underlaget. Andre gange, de ville se noget, de kunne lide, og løb mod det. "

Nirody fandt ud af, at på deres mest afslappede, vand bærer tømmer omkring en halv kropslængde i sekundet. Ved fuld gas, deres skrå skridt bar dem to kropslængder på samme tid. Men overraskelsen kom, da hun observerede, hvordan en vandbjørns fødder kommer i kontakt med jorden, når den tager fart. I modsætning til hvirveldyr, som har forskellige gangarter for hver hastighed - billede af en hestes hove, når den overgår fra en gåtur til en galop - tardigrader løber mere som insekter, suser med stigende hastigheder uden nogensinde at ændre deres grundlæggende skridtmønstre.

"Når hvirveldyr skifter fra at gå til at løbe, der er en diskontinuitet, "Nirody siger." Med leddyr, alle trinmønstre eksisterer langs det samme kontinuum."

Gammel koordination

Hvorfor deler tardigrader en lokomotivstrategi med meget større, hårdføre insekter?

En mulig forklaring er, at tardigrader, længe antaget at passe pænt ind i ingen eksisterende taksonomi, kan dele fælles forfædre - og endda et fælles neuralt kredsløb - med insekter såsom frugtfluer, myrer, og andre segmenterede slingrende væsner. Faktisk, nogle forskere går ind for at klassificere tardigrader inden for den foreslåede panarthropod -klade, en fangstgruppe, der ville tildele insekter fælles hyldeplads, krebsdyr, fløjls orme, og vandbjørne.

En anden mulighed er, at der ikke er nogen forfædres forbindelse mellem tardigrader og leddyr, men at de ikke -beslægtede grupper af organismer uafhængigt kom frem til de samme gang- og løbestrategier, fordi de var evolutionært fordelagtige. Måske er den bedste måde at navigere i uforudsigeligt terræn med et mikroskopisk legeme at tude som en vandbjørn.

Nirody er lige så fascineret af begge muligheder. "Hvis der er et forfædret neuralt system, der styrer hele panartropodgang, vi har meget at lære, " siger hun. "På den anden side, hvis leddyr og tardigrader konvergerede uafhængigt af denne strategi, så er der meget at sige om, hvad der gør denne strategi så velsmagende for arter i forskellige miljøer. "

Ud over konsekvenserne for evolutionær biologi og undersøgelsen af ​​dyrs bevægelse, resultaterne kan have konsekvenser for de spirende områder inden for blød og mikroskala robotik.

Ved at studere hvordan små dyr udviklede sig til at bevæge sig på tværs af udfordrende miljøer, forskere kan muligvis designe robotter, der mere effektivt kan presse sig ind i små rum eller operere i mikroskalaen. "Vi ved ikke meget om, hvad der sker ved ekstreme bevægelser - hvordan man laver en effektiv lille rollator, eller hvordan bløde ting skal bevæge sig, "Siger Nirody.

"Tardigrader er et vigtigt koblingshul i bløde, mikroskala bevægelse. "

Forskningen blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences .