Моделируя обтекание панцирей аммоноидей жидкостью, ученые изучают, как двигались эти древние животные
Аммоноиды - одна из величайших историй успеха эволюции в мире. Примерно от 66 до 409 миллионов лет назад тысячи видов этих панцирных головоногих процветали в морях по всей планете. Морские существа были так многочисленны и развивались такими быстрыми темпами, что палеонтологи часто используют аммоноидей в качестве указателей видов, специфичных для окаменелостей, которые отмечают определенные участки предыстории, что позволяет ученым датировать слои горных пород, идентифицируя окаменелости аммоноидей. Но, несмотря на их обилие в прошлом, аммоноидеи и их поведение до сих пор остаются загадкой для ученых.
Как и их современные родственники наутилусы, аммоноидеи были головоногими моллюсками с мягким телом, которые жили внутри спиральных раковин, которые они выращивали на протяжении всей своей жизни. Но мягкие тела часто разлагаются до окаменения, что затрудняет определение деталей анатомии этих существ. Изучение простого поведения аммоноидей, например того, что ел тот или иной вид, зависит от точных исследований выдающихся окаменелостей, таких как один аммоноид, сохранившийся с планктоном во рту.
Многое из того, что эксперты узнали об аммоноидеях, произошло благодаря их твердым панцирям, которые легче сохраняются в летописи окаменелостей. Теперь методы, заимствованные из инженерии, физики и даже видеоигр, помогают экспертам представить и изучить этих вымерших животных способами, которые ранее были невозможны.
Палеонтологи предполагают, что все аммоноидеи извергали струи воды, чтобы продвигаться вперед по морям. В прошлом, говорит палеонтолог из Университета Юты Кэтлин Риттербуш, исследователи помещали физические модели аммоноидей в резервуары с водой, чтобы получить представление о том, как двигались беспозвоночные. Но новая технология, представленная на этой неделе на собрании Американского физического общества, позволила ученым продвинуть свои эксперименты по плаванию с аммоноидами на шаг дальше.
Первый шаг - создание цифрового воссоздания животных. «Мы делаем копии настоящих окаменелостей, используя лазерный сканер для создания трехмерной модели», - говорит Риттербуш, а затем уточняет ее аспирант Ник Хебдон. Оттуда аммоноиды проходят свой путь.
«Все наши новые результаты получены с использованием вычислительной гидродинамики», - говорит Риттербуш. Этот процесс совсем не похож на типичный палеонтологический бизнес пыльных полевых работ. Моделирование было разработано Hebdon с использованием инженерного инструмента под названием ANSYS FLUENT, а трехмерные модели аммоноидей были помещены в виртуальные потоки жидкости.
«Результатом является великолепная симуляция и визуализация того, как вода будет обтекать, проходить мимо и завихряться за пределы раковины», - говорит Риттербуш. Используя такие методы, исследователи могут выяснить, являются ли определенные типы раковин более восприимчивыми к сопротивлению или более быстро текущая вода меняет поведение конкретной раковины.
«Это исследование плавания аммоноидей является передовым научным достижением не только для аммоноидей, но и для животных в целом», - говорит эксперт по биомеханике Королевского ветеринарного колледжа Джон Хатчинсон.
Что делает аммоноидей особенно подходящими для этого исследования, отмечает Хатчинсон, так это то, что размер и форма их раковин были основными факторами, определяющими поведение этих головоногих во время плавания. Панцири аммоноидов не так биомеханически сложны, как скелеты динозавров или мамонтов, что предполагает большую неопределенность при моделировании того, что животные могли или не могли делать. С другой стороны, моделирование аммоноидей может дать гораздо более четкую картину того, как двигались беспозвоночные. «Учёные максимально приближены к экспериментам на живых животных», - говорит Хатчинсон.
Но даже относительно простые структуры аммоноидей не подпадают под универсальную модель. «Представьте себе другую физику перемещения раковины размером с нут, или мяч для гольфа, или автомобильную шину, или Фиат!» - говорит Риттербуш. Размер раковины, текущая скорость, скорость движения раковины ранее и орнамент, который делает аммоноидей такими узнаваемыми, - все это влияет на то, как они двигались в воде. С помощью новых инструментов гидродинамики исследователи теперь могут изучать, какие оболочки были построены для скорости, а какие представляют собой другие способы передвижения.
«Мы сталкиваемся с сюрпризами почти каждый раз, когда запускаем моделирование и анализируем данные», - говорит Риттербуш. Например, гидродинамика меняется в зависимости от того, были ли у аммоноида боковые стороны раковины покрыты новым наростом или были обнажены старые части спирали раковины. Чтобы сравнить различные размеры аммоноидей, исследователи измерили их скорость с точки зрения диаметра их собственных раковин, пройденных за секунду.
«При небольших размерах и скромных скоростях, скажем, бублик с пиццей, летящий со скоростью один диаметр в секунду, на самом деле не имеет значения, сглажена катушка или открыта», - говорит Риттербуш. Но у более крупных видов аммоноидей открытые центральные кольца несут дополнительный вес в виде воды, удерживаемой раковиной.
Моделирование также может выявить детали гипотетических аммоноидей, которые никогда не существовали или еще не были найдены. В начале проекта Риттербуш нанял дизайнера видеоигр Оливию Дженкинс, чтобы сделать простой в навигации пользовательский интерфейс для игры с различными формами аммоноидей. Этот инструмент не только может уточнить существующие модели, но и позволяет исследователям тестировать предполагаемых аммоноидей, отличающихся от любых известных видов.
«Что, если бы эта же оболочка была более надутой? Что, если бы у него не было ребер или были большие неуклюжие ручки?» - недоумевает Риттербуш. Раскрывая динамику форм раковин, «мы можем показать людям, какими яркими и странными были моря во времена динозавров». И, исследуя, как жили эти биологические мутовки, возможно, эксперты смогут лучше понять, почему аммоноидеи исчезли десятки миллионов лет назад.