Математики объяснили, как плавают креветки
Некоторые ракообразные, такие как креветки и лангусты, плавают с помощью ритмичных движений четырёх или пяти пар конечностей плеопод, похожих на небольшие вёсла.
Расчёты показали, что движения креветок и лангустов на 30% эффективнее синхронных гребков и более чем в три раза эффективнее движений, направленных от головы к хвосту.
Каждая нога сначала с силой толкает воду назад, а затем подгибается для снижения сопротивления и перемещается на исходную позицию. Частота таких движений может достигать десяти толчков в секунду. При этом конечности гребут не одновременно, а в строгой последовательности. Сначала толкается пара ног, расположенная ближе к хвосту, затем с задержкой в четверть цикла следующая и так далее. Со стороны это напоминает волны, идущие от хвоста к голове.
Группа американских учёных, состоящая из четырёх математиков и одного биолога, решила разобраться, почему в ходе естественного отбора ракообразные выбрали именно такой сложный стиль плавания. С помощью компьютерной модели, учитывающей динамику потоков жидкости, исследователи сравнили три способа гребли: синхронное перемещение всех ног одновременно, волнообразные движения от хвоста к голове и в обратном направлении.
"Когда я впервые начал думать обэтом способе плавания, мне казалось, что движения от головы к хвосту давали бы большее механическое преимущество, но моделирование показало, что это не так", — говорит соавтор работы Тимоти Льюис (Timothy Lewis) из Калифорнийского университета в Дэвисе.
Расчёты показали, что движения креветок и лангустов на 30% эффективнее синхронных гребков и более чем в три раза эффективнее движений, направленных от головы к хвосту.
Обнаружив, что ракообразные выбрали наиболее рациональный способ плавания, учёные решили внимательно изучить нервные цепи, которые управляют этим процессом.
"Каждое "весло" управляется парой нервных клеток, которые по очереди подавляют друг друга, — объясняет биолог Брайн Мюллони (Brian Mulloney). — Один нейрон контролирует толчок, другой — обратный ход. В результате получается ритмический пульс, похожий на метроном".
В свою очередь каждая пара таких метрономов определённым асимметричным образом подключена к нейронам следующего "весла". Математический анализ показал, что такая асинхронная связь идеально подходит, чтобы обеспечить задержку в четверть цикла, необходимую для наиболее эффективной гребли.
Таким образом, с помощью математических методов учёные продемонстрировали, как в ходе естественного отбора на уровне нейронных цепей организмы приобретают сложное поведение, позволяющее наиболее эффективно использовать энергию.
Подробнее с результатами работы можно познакомиться в статье, опубликованной в издании PNAS.
