Resurrezione di cefalopodi estinti con robot biomimetici per esplorare la stabilità idrodinamica, la manovrabilità e i vincoli fisici sulle abitudini di vita

Jul 15, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11287 (2022) Citare questo articolo

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I cefalopodi dal guscio esterno con conchiglie planispirali arrotolate hanno avuto un successo ecologico per centinaia di milioni di anni. Questi animali mostravano una notevole disparità morfologica, riflettendo differenze comparabili nelle proprietà fisiche che avrebbero limitato le loro abitudini di vita e i ruoli ecologici. Per studiare questi vincoli, robot biomimetici semoventi e a galleggiamento neutro sono stati stampati in 3D per quattro morfologie disparate. Questi robot sono stati progettati per assumere orientamenti calcolati da simulazioni idrostatiche virtuali producendo al contempo spinte simili a quelle del Nautilus. I morfotipi compressi avevano migliorato la stabilità idrodinamica (efficienza di coasting) e sperimentavano una resistenza inferiore durante il getto all'indietro. Tuttavia, i morfotipi gonfiati avevano una migliore manovrabilità durante la rotazione attorno all'asse verticale. Queste differenze evidenziano un inevitabile compromesso fisico tra stabilità idrodinamica e manovrabilità di imbardata, evidenziando diversi vantaggi funzionali e vincoli legati alle abitudini di vita nel morfospazio dei cefalopodi. Questo compromesso rivela che non esiste un'unica morfologia ottimale della conchiglia e chiarisce il successo e l'evoluzione iterativa di morfologie disparate attraverso il tempo profondo, comprese le forme non aerodinamiche.

I reperti fossili documentano come la vita abbia sviluppato soluzioni funzionali alle sfide ambientali: dalle improvvise catastrofi causate dalle estinzioni di massa globali, agli ostacoli pervasivi che continuano ancora oggi. Nel tempo profondo, gli animali marini hanno affrontato queste sfide sviluppando una miriade di soluzioni per navigare nei loro ambienti fisici (ad esempio, gestire la galleggiabilità, l'efficienza del nuoto e la manovrabilità1,2). La documentazione fossile macroscopica più completa dell'anatomia funzionale dell'ultimo mezzo miliardo di anni appartiene ad animali che sono quasi scomparsi dai mari di oggi: i cefalopodi dal guscio esterno (ectococleati). Oggi, i cefalopodi coleidi (ad esempio calamari, polpi e seppie) sono componenti vitali degli ecosistemi globali e della dieta umana3,4. In contrasto con il loro contributo minore oggi, i cefalopodi ectococleari dominavano gli scambi trofici in molti antichi ecosistemi oceanici. Sebbene i coleoidi siano considerati il ​​gruppo di molluschi più complesso e mobile, le capacità natatorie più fondamentali e i vantaggi selettivi che siano mai esistiti per la maggior parte dei cefalopodi (ad esempio, ammonoidi e nautiloidi) rimangono un mistero. Le conchiglie esterne di questi animali sono state a lungo utilizzate come preziosi fossili indice in tutto il mondo5,6. Tuttavia, questi fossili possono anche fornire informazioni chiave sulle abitudini di vita e sull’ecologia delle loro controparti un tempo viventi. Le loro conchiglie esterne vincolano ogni componente interno (il corpo molle dell'animale e le camere di galleggiamento), consentendo ricostruzioni dettagliate di varie proprietà idrostatiche (galleggiabilità, orientamento alla vita, stabilità ed efficienza del movimento direzionale7,8,9,10,11). Inoltre, la conchiglia costituiva l'interfaccia animale-ambiente che determinava opportunità o sconfitte per una serie di strategie di locomozione12,13,14,15,16. Ormai, oltre mezzo secolo di intensi studi paleoecologici ha cristallizzato le caratterizzazioni delle opportunità di nuoto degli ectococleati, o della loro mancanza, in base alla forma delle conchiglie esterne10,12,13,15,16,17,18,19,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Uno schema robusto che colleghi la morfologia ai ruoli ecologici sembra quasi a portata di mano, ma un approccio eccessivamente semplificato oscurerà il modo in cui questi animali hanno sviluppato soluzioni alle sfide imposte dalle crisi ambientali e dalla selezione naturale quotidiana.

Le ricostruzioni accettate delle antiche capacità natatorie dei cefalopodi sono mature per rinnovate indagini con tecnologie emergenti. Decenni di esperimenti e calcoli hanno illuminato alcune relazioni di primo ordine tra la morfologia della conchiglia e l'idrodinamica. Le prime, e più intuitive, forme aerodinamiche con conchiglie compresse e bassa esposizione a spirale (cioè, ossiconi) comportano una minore resistenza idrodinamica (in particolare in regimi di flusso turbolento12,13,18,19,20,28,32,33). Queste morfologie vengono generalmente interpretate come nekton24, capaci di raggiungere velocità di nuoto più elevate. Al contrario, le forme gonfiate (cioè gli sfaeroconi) comportano una maggiore resistenza idrodinamica nel flusso turbolento, ma possono essere più efficienti su scale e/o velocità più piccole (cioè numeri di Reynolds inferiori13,19,20,32). Recenti simulazioni al computer dimostrano che i serpenticoni (forme che espongono le loro spire precedenti) non subiscono una resistenza molto maggiore degli ossiconi, nonostante la loro complessa topologia dei fianchi20. Pertanto, l’inflazione a conchiglia sembra imporre un compromesso sull’efficienza, che dipende sia dalle dimensioni che dalla velocità. Oltre alla geometria complessiva della conchiglia, diversi fattori idrodinamici del secondo ordine complicano le relazioni tra forma e idrodinamica. La spinta propulsiva è correlata alla durata, alla frequenza e all'iterazione del getto16,34. L'efficienza propulsiva è strettamente legata all'idrostatica della postura e dell'orientamento del getto7,10,11,34,35,36. Caratteristiche della forma esterna sfumata: chiglie; esposizione ombelicale; ornamento di nervature o spine37: producono impatti sostanziali ma non lineari sulla forza di resistenza complessiva23. Argomentazioni logiche e simulazioni intensive al computer suggeriscono che diverse combinazioni di forme di conchiglia di primo e secondo ordine causerebbero opportunità idrodinamiche radicalmente diverse per la locomozione12,13,15,17,18,19,20,23,28,32,33,38, 39. Molti degli scenari specifici proposti e dei compromessi invocati si basano su ragionamenti che motivano una rinnovata attenzione attraverso una quantificazione rigorosa. Nonostante l’immenso corpus di lavori sull’idrodinamica dei cefalopodi ectococleati, rimaniamo incerti se i potenziali di locomozione delle diverse morfologie di conchiglie siano mai stati controlli di primo ordine sull’ecologia o un obiettivo inevitabile della selezione naturale.