Сифонофоры научились переключать свои реактивные двигатели на форсаж

Американские ученые выяснили физическую разницу между двумя режимами работы реактивных движителей дальних родственников кораллов и медуз — колониальных сифонофор Nanomia bijuga. Построив модель обоих типов движения для разной длины колоний, они узнали, что первый режим характеризуется большими скоростями и тягой, нежели второй, но при этом он менее экономный с точки зрения затрат энергии. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследование биомеханики животных позволяет лучше понять, какие нужны условия для эффективного движения. Полученные знания впоследствии можно использовать в робототехнике. Иногда ученые решают и обратную задачу: например, определяют, как двигалось вымершее животное, исходя из принципа оптимального расхода энергии.

В живой природе существует множество способов движения (локомоции), причем особенно большое разнообразие демонстрируют водоплавающие животные. Так, кальмары, осьминоги, медузы и многие другие двигаются, вбирая воду и выбрасывая ее в одном направлении, то используя принцип реактивного движения.

Но если медузы выпускают одну струю, то некоторые сифонофоры из подотряда Physonectae — дальние родственники кораллов, медуз и гидр — способны создавать множество источников тяги. Например, Nanomia bijuga имеет по бокам два ряда нектофор, которые вбирают в себя воду и выбрасывают ее через отверстие, называемое велумом. Примечательно, что эти животные могут выбирать, одновременно выпускать реактивные струи, или как-то растянуть этот процесс во времени. До недавнего времени никто не исследовал механическую разницу между этими режимами.

Закрыть это пробел решила группа из университета Луизианы во главе с Кевином Дю Кло (Kevin Du Clos). Они сравнили показатели асинхронного и синхронного режима плавания у N. bijuga для нескольких длин колоний, построив механическую модель такого движения. Оказалось, что синхронное плавание — более быстрое, но асинхронное — более экономное.

Каждая Nanomia bijuga — это колония зооидов, поэтому количество нектофор у них может отличаться. Зоологи выделяют четыре типа способа движения N. bijuga: синхронное сокращение всех нектофор, асинхронные сокращения, при которых нектофоры последовательно выстреливают струи парами (это напоминает волну сокращений, начинающуюся с головы — такой тип движения еще называют метахронным или метахрональным), синхронное сокращение только с одной стороны и сокращение только одной нектофоры. Последние два типа нужны для маневрирования, в то время как первые два нужны для движения вперед. На них и сконцентрировались авторы.

Суть их исследования заключалась в построении механической модели синхронного и асинхронного движений, которая включает в себя информацию о частоте сокращений нектофор и создаваемой ими тяге, а также о гидродинамическом сопротивлении. Чтобы извлечь нужные параметры, ученые вычисляли временные зависимости для скорости и ускорения животного и подгоняли параметры модели под реальные данные, полученные из анализа видеозаписей плавания N. bijuga. Они повторяли процедуру для сифонофор с различным (от 4 до 20) числом нектофор.

Исследователи выяснили, что синхронный режим дает большую среднюю скорость, чем асинхронный, причем разница растет с увеличением длины животного (157 против 64,5 миллиметра в секунду для 20 нектофор). Также в первом случае N. bijuga создают бо́льшую тягу и испытывают более сильное сопротивление среды. По этой причине асинхронный режим оказался экономичнее, чем синхронный. Исследование таким образом объясняет, почему при спасении от хищников N. bijuga задействуют все нектофоры одновременно, в то время как при движении на большие расстояния (сотни метров) их движение метахронное.

Ранее мы рассказывали, как ученые с помощью видеозаписей и физических моделей разобрались, как прыгают и приземляются на воду ногохвостки. По полученным знаниям удалось создать робота, который прыгал похожим образом.