Рыбы воспринимают изменения течения воды, вызванные добычей, сородичами и хищниками, с помощью боковой линии. Крошечные датчики этого органа также позволяют им надежно ориентироваться. Однако с увеличением скорости течений увеличивается и фоновый сигнал. Ученые из Боннского университета впервые создали реалистичную трехмерную модель рыбы и смоделировали точные текущие условия. Виртуальные расчеты показывают, что определенные анатомические приспособления минимизируют фоновый шум. Результаты теперь представлены в The Journal of the Royal Society Interface.
Язь (Leuciscus idus) - рыба, обитающая в нижних участках рек с медленным течением. Как и большинство рыб, он может воспринимать течение по боковой линии. Механорецепторы этого органа распределены по поверхности всего тела, поэтому орган обеспечивает трехмерное изображение гидродинамических условий. Таким образом, рыбы также могут ориентироваться в темноте и идентифицировать добычу, сородичей или хищников. Недавно вышедший на пенсию зоолог профессор Хорст Блекманн из Боннского университета провел много лет, исследуя чувствительный орган, и использовал его в качестве источника вдохновения для технических датчиков потока, чтобы, например, выявлять утечки в водопроводных трубах.
Первая реалистичная трехмерная компьютерная модель
Учёные д-р Хендрик Херцог из Института зоологии и д-р Александр Циглер из Института эволюционной биологии и экологии Боннского университета приступили к новому измерению исследования боковой линии у рыб: они создали первую реалистичную трехмерную компьютерную модель системы боковой линии, которую они использовали для точного расчета условий течения окружающей воды.«Мы сосредоточились на голове язя, потому что боковая линия рыбы имеет здесь особенно сложную форму», - сообщает доктор Херцог.
Этот орган имеет два разных типа датчиков. Некоторые выступают, как маленькие бугорки, с поверхности кожи рыбы, и вода течет прямо по ним. Другие сидят в каналах, которые погружены в кость черепа и связаны с водой через маленькие поры. «Если рядом находится добыча, например пресноводная креветка, местное течение и давление воды меняются», - объясняет доктор Циглер. Рыба регистрирует это своими многочисленными датчиками. «Однако до сих пор фактическая функция таких различных типов измерения тока не была окончательно выяснена».
Оба исследователя получили активную поддержку от Биргит Кляйн из Вестфальского университета прикладных наук. В своей дипломной работе в Институте зоологии нынешний магистрант сравнила различные методы 3D-реконструкции. Она сделала около 350 фотографий головы язя с разных ракурсов и использовала их для создания 3D-модели поверхности рыбы. Каналы и датчики боковой линии она предварительно прокрасила, поэтому структуры на модели четко различимы. Затем она оптимизировала набор данных, оцифровав голову рыбы с помощью процедуры лазерного сканирования с гораздо более высоким разрешением.
Это создавало реалистичное изображение поверхности рыбы, но внутренности животного таким образом не записывались. Вот почему исследователи использовали микрокомпьютерный томограф в качестве третьего метода. Контрастное вещество позволило показать мягкие ткани даже при использовании этого рентгеновского метода. В конце концов, данные всех трех методов вошли в реалистичную модель боковой линии. Таким образом, зоологи смоделировали различные текущие условия и рассчитали гидродинамические сигналы для различных датчиков.
Сильное течение является проблемой для рыбы, так как фоновый шум для датчиков особенно велик. Тем не менее рыба может точно воспринимать окружающую среду даже при больших скоростях движения воды. Как показывают расчеты исследователей, углубления обеспечивают значительное снижение тока для выпуклых датчиков, расположенных на поверхности кожи. «Таким образом, относительная сила сигнала, например, от организмов-жертв становится больше», - объясняет доктор Херцог. Для датчиков в каналах было показано, что определенные участки боковой линии особенно чувствительны к соответствующей силе течения из-за различных диаметров каналов.
Биологическое приложение: улучшенная навигация подводных роботов
«Используя наш методический подход, в будущем станут возможными сравнительные анатомические исследования различных видов рыб с особенно высоким уровнем детализации», - сообщает д-р Циглер. Его коллега видит на переднем плане биоинспирированные приложения: «Знания, полученные из таких 3D-моделей рыб, также могут позволить значительно улучшить автономную навигацию подводных роботов, использующих датчики потока», - предполагает доктор. Герцог.