Группа инженеров и биологов отчиталась о новых успехах в использовании компьютерного моделирования и анализа в формате 3D для выяснения механизмов изменения уникальных хватательных хвостов морских коньков в процессе эволюции.

Эти хватательные хвосты сочетают в себе такие, на первый взгляд, противоречивые характеристики, как гибкость и жесткость.
Раскрытие тайны того, как морские коньки смогли достичь такого мастерства, поможет инженерам создавать устройства, которые будут одновременно гибкими и прочными.

«В этом проекте объединили свои усилия инженеры, владеющие компьютерным моделированием, и биологи, разбирающиеся в вопросах эволюции» — говорит руководитель исследовательской команды биолог-эволюционист Доминик Адриаенс, профессор университета в Генте: «С точки зрения биологии, мы хотим понять, как естественный отбор усовершенствовал доставшийся по наследству относительно жесткий хвост с костлявыми, армированными пластинами, и превратил его в сложный хвост морского конька, который все так же полностью покрыт армированными пластинами, но стал очень гибким».

Для создания компьютерной модели команда использовала информацию о мышцах и костях настоящего морского конька.
Основываясь на этих данных, можно будет расшифровать то, как хвост приобрел такие замечательные черты. Например, модель позволяет исследователям понять, какую роль играют отдельные мышцы и скелетные структуры при хватательных движениях хвоста и изменении угла изгиба.

Компьютерная модель дает возможность управлять анатомией так, как это невозможно делать в случае с живыми морскими коньками. Результат может быть представлен в виде 3D анимации хвоста и использоваться для расчета энергии, необходимой для его сгибания.

Для того чтобы получить изображения системы уникальной брони мышечно-скелетной системы морского конька изнутри, исследователи использовали тысячи точек трехмерной компьютерной модели.

Затем они сравнили анатомию этого хвоста с хвостами других видов рыб в семействе морского конька, из которых не у всех имеются хвосты, способные сгибаться и хватать.

«Мы выдвинули гипотезу, что различий внутри хватательных видов намного меньше, чем среди тех, кто такими способностями не обладает, так как для этого требуются определенные строительные блоки, которые создают одновременно гибкий и жесткий хвост» — говорит Адриаенс: «К нашему удивлению, мы обнаружили различия в способах формирования хватательного хвоста при одинаковых скелетных и мышечных элементах. Несмотря на то, что хватательный хвост у рыб — явление исключительное, в семействе, к которому принадлежат морские коньки, он множество раз эволюционировал независимо у каждого вида».

Адриаенс сотрудничает с Майклом Портером из университета в Клемсоне, который хочет использовать полученные результаты для создания гибкой и мощной брони или разработки хватательных длинных и тонких роботов.

«Понимание механизмов, вовлеченных в процесс эволюции хвоста морских коньков, позволяет вместо технической оптимизации использовать в качестве нашей оптимизационной модели биологическую» — говорит Портер: «Эти знания дают возможность проводить усовершенствования и получать требуемую гибкость и прочность. Так как броня морского конька обладает большой гибкостью, было бы интересно посмотреть, сможем ли мы разработать бронированные устройства, обладающие гибкостью. И пусть у них не будет хватательных характеристик, но они смогут свободно передвигаться и действовать в определенной степени самостоятельно».

Морские коньки используют свои сильные и гибкие хвосты, чтобы закрепиться на растениях и других элементах на коралловых рифах или на морском дне, что позволяет им укрываться от хищников.

По материалам издания sciencedaily.com