В статье с четырьмя коллегами в выпуске журнала Nature Communications за 2 сентября Сазерленд подробно описывает, как крошечный тип медуз — колониальные сифонофоры — быстро плавает, координируя несколько струй, стреляющих водой из отдельных, но генетически идентичных единиц, составляющих животное.Информация о биомеханике живого организма, который использует такую скоординированную систему, должна вдохновить на «естественное решение многодвигательной организации, которое может способствовать расширению области проектирования подводных распределенных двигательных установок», — заключают соавторы в своей статье. .«Это очень интересная система для изучения движения, потому что у этих желе есть несколько плавательных колокольчиков, которые можно использовать для движения», — сказал Сазерленд, биолог из Института морской биологии Орегонского университета в Чарльстоне и колледжа Роберта Д. Кларка с отличием.
Юджин кампус. «Это относительно редко в животном мире. Большинство организмов, которые плавают с движущей силой, делают это с помощью одной струи.
Эти сифонофоры могут вращаться на копейке, и очень быстро».Изучаемые студни — это Nanomia bijuga. Они являются членами филума Cnidaria, члены которого имеют специализированные стрекательные клетки, которые используются в основном для поимки добычи.
N. bijuga редко превышает два дюйма в длину, но с щупальцами может достигать 30 сантиметров в длину. Образцы собирали — чаще всего ночью, когда их полупрозрачные тела легко увидеть при свете над темной водой — с чашек из плавучих доков в лабораториях Friday Harbour при Вашингтонском университете. Отдельные колонии содержали от четырех до 12 струйных структур, известных как нектофоры.
По словам Сазерленда, одно животное немного похоже на группу крошечных медуз, связанных вместе. Медузы, которые больше всего известны любителям океана, обычно намного больше и приводятся в движение одной струей.
Однако изученные крошечные версии включают в себя несколько единиц и имеют четкое разделение труда.«За вращение отвечают младшие плавательные колокола на оконечности колонии», — сказал Сазерленд. «Они создают большой крутящий момент. Старые плавательные колокола к основанию колонии ответственны за толчок».
Их щупальца захватывают зоопланктон, крошечные организмы, которые потребляют эти медузы, добавила она.Чтобы понять, как эти желе заставляют воду маневрировать, исследователи поместили образцы колоний в небольшие специальные резервуары и добавили нейтрально плавучие посевные частицы в качестве индикаторов.
При освещении резервуаров тонкой двумерной лазерной пластиной движение желе было запечатлено с помощью высокоскоростной цифровой фотографии — 1000 кадров в секунду. Данные были проанализированы с помощью велосиметрии изображения частиц, метода, который обеспечивает мгновенные измерения скорости.Большинство животных и созданных людьми транспортных средств полагаются на реактивные двигатели, которые поворачиваются для изменения направления — практика, которая, по словам Сазерленда, сложна с точки зрения дизайна или инженерии.
«У этих желе есть небольшая способность поворачивать отдельные форсунки, но им это не нужно», — сказала она. «С помощью нескольких статических струй они могут достичь всей необходимой им маневренности. Разработка такой системы была бы простой, но элегантной.
И у вас есть резервы в системе. Если одна струя выйдет из строя, будет небольшая потеря тяги».«Исследование дает представление о том, как животные могут достичь сложных уровней маневренности и производительности с помощью относительно простых компонентов», — сказал Джон «Джек» Х. Костелло из колледжа Провиденс в Род-Айленде, ведущий автор исследования.«Нектофоры этих желе кажутся довольно простыми структурами, производящими струю», — сказал он. «При движении вперед струи по существу стереотипны по направлению — они, кажется, летят в постоянном направлении.
Сложность поворота достигается за счет чередования того, какие единицы сжимаются и насколько сильно они летят. направления струи между несколькими людьми, колония эволюционировала для управления относительно простыми, стабильными компонентами с помощью более сложной системы управления ».Следующий шаг, по словам Костелло, — понять, как животные максимизируют свой контроль над простейшими паттернами движений для достижения таких сложных результатов. «Мы считаем, что идентификация этих управляющих паттернов позволит нам понять высокий уровень эффективности пловцов-животных, и что, возможно, часть этой информации будет применима к автомобилям, созданным человеком.В своей лаборатории UO Сазерленд изучает студенистые организмы, в основном медузы, чтобы попытаться понять, как организмы взаимодействуют с окружающей их жидкостью. Фундаментальные вопросы, лежащие в основе ее исследования, заключаются в том, как они манипулируют водой вокруг себя, чтобы плавать, и как они это делают, чтобы кормить.
«Моим первым взаимодействием с животными, использованными в этом исследовании, было плавание с ними в их естественной среде обитания», — сказала она. «Это вертикальные мигранты, которые ночью выходят на поверхность, а днем плавают обратно в глубину. Каждую ночь они могут проплывать сотни метров».