Рассекая океан, как реактивный самолет в небе, гигантский синий тунец создан для работы, выносливости и скорости. Подобно тому, как самые быстрые самолеты имеют тщательно расположенные крылья и хвостовые закрылки, чтобы обеспечить точную маневренность и экономию топлива, синий тунец нуждается в максимальном контроле над своими двигательными и стабилизирующими структурами, когда они мчатся через океан. Выдающаяся маневренность и точность передвижения этих мощных рыб поддерживаются сосудистой специализацией, уникальной среди позвоночных, согласно новому исследованию Стэнфордского университета и Аквариума Монтерей-Бей: гидравлическое управление плавниками под давлением.
Изучая анатомию, физиологию, передвижение и движения плавников тихоокеанского синего и желтоперого тунца, плавающих в аквариумах, исследователи обнаружили доказательства биологической гидравлической системы в больших серповидных плавниках, расположенных над и под телом тунца. называются срединными плавниками.
"Животные являются захватывающим источником элегантных инженерных решений в области аэро- и гидродинамики. То, что мы обнаружили в этих тунцах, не похоже на гидравлические системы других животных. Это мышечно-сосудистый комплекс, объединяющий лимфатическую систему, скелетные мышцы и кости плавников», - сказал Вадим Павлов, научный сотрудник Стэнфордского университета и ведущий автор исследования, опубликованного в номере журнала Science от 21 июля. «Мы показали, что у тунцов и их быстро плавающих родственников этот комплекс функционирует для создания гидравлического давления, которое обеспечивает точную регулировку формы их плавников. Расширяя или втягивая спинной и анальный плавники, они изменяют физические силы, создаваемые плавниками., что обеспечивает маневренность."
Способность тунца быстро и точно двигать этими срединными плавниками с помощью гидродинамического механизма может быть преимуществом при поворотах, предпринимаемых во время поиска добычи, кормления и плавания на большие расстояния, где жизненно важен осторожный расход энергии. Эта система гидравлического управления может улучшить дизайн парусных судов и автономных транспортных средств, многие из которых уже имитируют гладкий дизайн формы тела тунца.
Специальная система
Более десяти лет назад Барбара Блок, профессор морских наук Чарльза и Элизабет Протро в Стэнфорде, и коллеги из Аквариума Монтерей-Бей представили тихоокеанского голубого тунца в экспозицию открытого моря океанариума объемом в миллионы галлонов.
«Мы все были очарованы красотой форм и функций этих величественных рыб через стекло Аквариума Монтерей-Бей», - сказал Блок, чей Центр исследования и сохранения тунца (TRCC) сотрудничает с Аквариумом Монтерей-Бей. уже более 20 лет содержит тунца в неволе на морской станции Хопкинс в Стэнфорде.
Во время своих наблюдений за этими рыбами Блок заметила, что тихоокеанский голубой тунец, который на выставке вырос до гигантских размеров, некоторые из которых достигали веса более 300 фунтов, точно подстраивал свои грудные, срединные и хвостовые плавники. Эти черты были в центре внимания нескольких проектов стажировки студентов Стэнфордского университета, которые включали съемку тихоокеанского голубого тунца, плавающего и кормящегося на впечатляющей главной выставке аквариума. Но только с приходом Павлова в лабораторию Блока тайна срединных плавников была окончательно разгадана.
Павлов, работая со студентом Стэнфордского университета Нейтом Хансеном, обнаружил необычный синус или полость, заполненную жидкостью под основанием спинного и анального срединных плавников. Структура казалась загадочной, пока они не поняли, что эта система сосудистых каналов, мышц и костей является биологическим аналогом канонической гидравлической системы. Мышцы создают давление в жидкости, что помогает изменить форму и положение плавников для управления плаванием и маневрированием. Выяснение того, какая жидкость вызывала повышение давления, требовало опыта из другой области.
«Находка была неожиданной. Павлов обнаружил эту область пазухи в плавнике и связанных с ней структурах и пригласил меня посмотреть, связана ли она с лимфатической системой», - сказал Беньямин Розенталь, научный сотрудник с докторской степенью в области биологии стволовых клеток и регенеративной медицины и соавтор статьи. «Думаю, мы довольно рано поняли, что это новая находка и уникальная система».
Чтобы определить происхождение сосудистого входа в гидравлическую систему и его связь с лимфатической системой, команда применила междисциплинарный подход. Исследователи записали видео о плавании тихоокеанского голубого и желтоперого тунца на объектах TRCC, где непосредственная близость к рыбе позволила им увидеть тонкие изменения угла атаки срединных плавников. Кадры позволили исследователям установить, как тунец менял площадь и форму этих плавников, чтобы выполнять различные маневры. В сочетании с компьютерным моделированием команда также показала, как жидкость течет по тунцу, влияя на силы, создаваемые плавником, при разных скоростях плавания.
Подтверждение того, что гидравлическая система является частью лимфатической системы тунца, было еще одной сложной задачей. Хотя лимфатические системы имеют решающее значение для иммунной функции, ранее не было обнаружено, что лимфатическая жидкость используется в качестве гидравлической жидкости при передвижении. Исследователи провели детальное исследование проводящих путей сосудов в плавниках, изучили микроскопическую структуру тканей и протестировали клеточный состав жидкости в этих сосудах, что показало, что это лимфатическая жидкость.
Лимфатические сосуды в норме мелкие и их трудно различить невооруженным глазом, но у тунца они преобразованы в специализированную систему крупных сосудов и каналов в срединных плавниках. Поскольку лимфа действует как гидравлическая жидкость, повышенное давление в этих каналах влияет на положение плавника и, возможно, на жесткость, что в совокупности изменяет гидродинамические свойства плавников. Способность быстро регулировать положение плавников влияет на подъемную силу, воздействующую на плавники, и предотвращает перекатывание и рыскание тунца во время активного плавания, ограничивая потери энергии во время длительных миграций.
Тунец обладает многочисленными морфологическими, физиологическими и поведенческими адаптациями для быстрого перемещения в толще воды и сложной физиологией, которая включает повышенный метаболизм, уникальную сердечно-сосудистую систему и теплую температуру тела. Эти особенности требуют хорошо развитой лимфатической системы для поддержания водного баланса в тканях и защиты организмов от инфекций. Теперь эволюция физиологии тунца может также включать эту уникальную гидравлическую функцию.
«Основными примерами биогидравлики являются беспозвоночные животные, такие как моллюски, ракообразные и медузы», - сказал Блок. «Необычно наблюдать биогидравлическую локомоцию у позвоночных животных, которая включает интеграцию мышечных, жидкостных и костных структур. Насколько нам известно, об этом эволюционном механизме рыб никогда раньше не сообщалось, и он мог бы остаться скрытым, если бы не возможность увидеть этих рыб в действии в неволе. Он показывает, насколько непрозрачно наше океанское царство и как много еще предстоит открыть».
От тунца до техники
Спинной и анальный плавники обычно ориентированы прямо вверх и вниз и участвуют в контроле положения тела и траектории движения. Таким образом, эти срединные плавники аналогичны судам на подводных крыльях и создают подъемную силу сбоку, поскольку плоскость плавника образует угол с водой, по которой плывет рыба. Команда обнаружила, что биомеханика срединных плавников тунца тесно связана с тремя элементами канонической гидравлической системы: мышцами, которые служат гидравлическим насосом для создания давления в жидкости, сосудистыми сосудами, направляющими и контролирующими систему, и плавниковыми лучами, действующими как приводы для преобразования энергии давления в механическую энергию.
«Естественный механизм гидравлического управления килями может быть очень привлекательным при проектировании новых «умных» рулей с изменяемой формой и жесткостью», - сказал Павлов.«Это могло бы, например, повысить маневренность воздушных и подводных беспилотных аппаратов».
Розенталь надеется продолжить исследование этой лимфатической сети, чтобы увидеть, служат ли структуры внутри нее той же иммунологической цели, что и лимфатические узлы у млекопитающих. В рамках своих текущих исследований физиологии и биомеханики тунца лаборатория Block и TRCC в настоящее время размещают на тунцах высокотехнологичные камеры с датчиками движения, чтобы лучше понять кинематику их плавания.