Ressuscitando cefalópodes extintos com robôs biomiméticos para explorar a estabilidade hidrodinâmica, manobrabilidade e restrições físicas nos hábitos de vida

Jul 15, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11287 (2022) Citar este artigo

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Cefalópodes de concha externa com conchas planispirais enroladas foram ecologicamente bem-sucedidos por centenas de milhões de anos. Esses animais exibiam notável disparidade morfológica, refletindo diferenças comparáveis ​​em propriedades físicas que teriam restringido seus hábitos de vida e papéis ecológicos. Para investigar essas restrições, robôs biomiméticos de autopropulsão e flutuabilidade neutra foram impressos em 3D para quatro morfologias diferentes. Esses robôs foram projetados para assumir orientações calculadas a partir de simulações hidrostáticas virtuais enquanto produziam impulsos semelhantes aos do Nautilus. Os morfotipos comprimidos melhoraram a estabilidade hidrodinâmica (eficiência de desaceleração) e experimentaram menor arrasto durante o jato para trás. No entanto, os morfotipos inflados melhoraram a capacidade de manobra ao girar em torno do eixo vertical. Essas diferenças destacam uma compensação física inescapável entre estabilidade hidrodinâmica e manobrabilidade de guinada, iluminando diferentes vantagens funcionais e restrições de hábitos de vida em todo o morfoespaço dos cefalópodes. Essa compensação revela que não existe uma única morfologia de concha ideal e elucida o sucesso e a evolução iterativa de morfologias díspares ao longo do tempo, incluindo formas não aerodinâmicas.

O registro fóssil documenta como a vida desenvolveu soluções funcionais para os desafios ambientais – desde catástrofes repentinas em meio a extinções em massa globais até obstáculos generalizados que continuam até hoje. Ao longo do tempo, os animais marinhos enfrentaram esses desafios enquanto desenvolviam inúmeras soluções para navegar em seus ambientes físicos (ou seja, gerenciar a flutuabilidade, eficiência na natação e capacidade de manobra1,2). O registro fóssil macroscópico mais abrangente da anatomia funcional dos últimos meio bilhão de anos pertence a animais que quase desapareceram dos mares de hoje: os cefalópodes com casca externa (ectococleados). Hoje, os cefalópodes coleóides (por exemplo, lulas, polvos e chocos) são componentes vitais dos ecossistemas globais e da dieta humana3,4. Em contraste com suas contribuições menores hoje, os cefalópodes ectococleados dominaram as trocas tróficas em muitos ecossistemas oceânicos antigos. Embora os coleoides sejam considerados o grupo de moluscos mais complexo e móvel, as capacidades de natação mais fundamentais e as vantagens seletivas para a maioria dos cefalópodes que já existiram (por exemplo, amonóides e nautilóides) permanecem um mistério. As conchas externas desses animais há muito servem como valiosos índices fósseis em todo o mundo5,6. No entanto, esses fósseis também podem fornecer informações importantes sobre os hábitos de vida e a ecologia de suas contrapartes outrora vivas. Suas conchas externas restringem cada componente interno (o corpo mole do animal e as câmaras de flutuação), permitindo reconstruções detalhadas de várias propriedades hidrostáticas (flutuabilidade, orientação vital, estabilidade e eficiência do movimento direcional7,8,9,10,11). Além disso, a concha formou a interface animal-ambiente que ditava oportunidade ou derrota para uma série de estratégias de locomoção12,13,14,15,16. Até agora, mais de meio século de estudo paleoecológico intensivo cristalizou as caracterizações das oportunidades de natação dos ectococleados - ou a falta delas - com base em suas formas externas de concha10,12,13,15,16,17,18,19,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Um esquema robusto ligando a morfologia aos papéis ecológicos parece quase ao alcance, mas uma abordagem excessivamente simplificada obscurecerá como esses animais desenvolveram soluções para os desafios impostos pelas crises ambientais e pela seleção natural do dia-a-dia.

Reconstruções aceitas de antigas capacidades de natação de cefalópodes estão prontas para investigação renovada com tecnologias emergentes. Décadas de experimentos e cálculos iluminaram algumas relações de primeira ordem entre a morfologia da concha e a hidrodinâmica. Em primeiro lugar, e mais intuitivamente, formas aerodinâmicas com conchas comprimidas e baixa exposição de verticilo (ou seja, oxicones) incorrem em menor arrasto hidrodinâmico (especificamente em regimes de fluxo turbulento12,13,18,19,20,28,32,33). Essas morfologias são geralmente interpretadas como nekton24, capazes de atingir maiores velocidades de nado. Em contraste, formas infladas (ou seja, esferocones) incorrem em maior arrasto hidrodinâmico em fluxo turbulento, mas podem ser mais eficientes em escalas e/ou velocidades menores (ou seja, números de Reynolds mais baixos13,19,20,32). Simulações de computador recentes demonstram que os serpenticões (formas que expõem seus verticilos anteriores) não sofrem muito mais arrasto do que os oxicones, apesar de suas complexas topologias de flanco20. Portanto, a inflação da concha parece impor uma compensação na eficiência, que depende tanto do tamanho quanto da velocidade. Além da geometria geral da concha, vários fatores hidrodinâmicos de segunda ordem complicam as relações entre a forma e a hidrodinâmica. O impulso propulsivo está relacionado à duração, frequência e iteração do jato16,34. A eficiência propulsiva está intimamente ligada à hidrostática da postura e orientação do jato7,10,11,34,35,36. Recursos de forma externa diferenciada - quilhas; exposição umbilical; ornamento de nervuras ou espinhos37 - produz impactos substanciais, mas não lineares, na força de arrasto geral23. Argumentos lógicos e simulações de computador intensivas sugerem que diferentes combinações de formas de concha de primeira e segunda ordem causariam oportunidades hidrodinâmicas radicalmente diferentes para locomoção12,13,15,17,18,19,20,23,28,32,33,38, 39. Muitos dos cenários específicos propostos e compensações invocados dependem de um raciocínio que motiva atenção renovada por meio de quantificação rigorosa. Apesar do imenso corpo de trabalho sobre hidrodinâmica de cefalópodes ectococleados, permanecemos incertos se os potenciais de locomoção de morfologias de conchas díspares foram controles de primeira ordem em ecologia ou um alvo inevitável da seleção natural.