Forskare vid University of Oregon har upptäckt att kolonier av gelatinösa havsdjur simmar genom havet i gigantiska korkskruvsformer med hjälp av koordinerad jetframdrivning, en ovanlig typ av rörelse som kan inspirera till nya konstruktioner för effektiva undervattensfordon.
Forskningen involverar salper, små varelser som liknar maneter som tar en nattlig resa från havets djup till ytan. Att observera att migration med speciella kameror hjälpte UO-forskare och deras kollegor att fånga makroplanktonets graciösa, koordinerade simbeteende.
"Den största migrationen på planeten sker varje natt:den vertikala migrationen av planktoniska organismer från djuphavet till ytan", säger Kelly Sutherland, docent i biologi vid UO:s Oregon Institute of Marine Biology, som ledde forskningen. "De springer ett maraton varje dag med hjälp av ny vätskemekanik. Dessa organismer kan vara plattformar för inspiration om hur man bygger robotar som effektivt korsar djuphavet."
Forskarnas resultat publicerades den 15 maj i tidskriften Science Advances . Studien inkluderade samarbeten från Louisiana Universities Marine Consortium, University of South Florida, Roger Williams University, Marine Biological Laboratory och Providence College.
Trots att de liknar maneter är salper tunnformade, vattniga makroplankton som är närmare besläktade med ryggradsdjur som fiskar och människor, säger Alejandro Damian-Serrano, adjungerad professor i biologi vid UO. De bor långt från stranden och kan leva antingen som ensamma individer eller verka i kolonier, sa han. Kolonier består av hundratals individer sammanlänkade i kedjor som kan vara upp till flera meter långa.
"Salper är verkligen konstiga djur," sa Damian-Serrano. "Medan deras gemensamma förfader med oss förmodligen såg ut som en liten benfri fisk, förlorade deras härstamning många av dessa egenskaper och förstorade andra. De ensamma individerna beter sig som detta moderskepp som asexuellt föder upp en kedja av individuella kloner, sammanfogade för att producera en koloni. "
Men det mest unika med dessa havsvarelser hittades under forskarnas havsexpeditioner:deras simteknik.
När de utforskade utanför kusten i Kailua-Kona, Hawaii, utvecklade Sutherland och hennes team specialiserade 3D-kamerasystem för att få sitt labb under vattnet. De genomförde dykning dagtid, "nedsänkta i oändligt blått", som Damian-Serrano beskrev, för undersökningar med hög synlighet.
De utförde också nattdyk, när den svarta bakgrunden möjliggjorde högkontrastbilder av de genomskinliga varelserna. De mötte en enorm uppsjö av olika salper som gjorde sin nattliga migrering till ytan – och många fotobombande hajar, bläckfiskar och kräftdjur, noterade Sutherland.
Genom avbildning och inspelningar märkte forskarna två simsätt. Där kortare kolonier snurrade runt en axel, som en spiralfotboll, skulle längre kedjor spännas och rullas som en korkskruv. Det kallas spiralsimning.
Spiralsimning är inget nytt inom biologi, sa Sutherland. Många mikroorganismer snurrar också och korkskruvar genom vatten, men mekanismerna bakom salparnas rörelse är olika. Mikrober slår vatten med hårliknande utsprång eller svanspiskor, men salper simmar via jetframdrivning, sa Sutherland. De har sammandragande muskelband, som de i den mänskliga halsen, som pumpar vatten som sugs från ena sidan av kroppen och sprutade ut den andra änden för att skapa dragkraft, sa Damian-Serrano.
Forskarna märkte också att enskilda jetflygplan drog ihop sig vid olika tidpunkter, vilket gjorde att hela kolonin stadigt färdades utan paus. Strålarna var också vinklade, vilket bidrog till spinning och spolsimning, sa Sutherland.
"Min första reaktion var verkligen en av förundran och vördnad," sa hon. "Jag skulle beskriva deras rörelse som ormliknande och graciös. De har flera enheter som pulserar vid olika tidpunkter, vilket skapar en hel kedja som rör sig mycket smidigt. Det är ett riktigt vackert sätt att röra sig på."
Mikrorobotar inspirerade av mikrobiella simmare finns redan, sa Sutherland, men denna upptäckt banar väg för ingenjörer att konstruera större undervattensfordon. Det kan vara möjligt att skapa robotar som är tysta och mindre turbulenta när de modelleras efter dessa effektiva simmare, sa Damian-Serrano. En multijetdesign kan också vara energetiskt fördelaktig för att spara bränsle, sa han.
Utöver mikrober har större organismer som plankton ännu inte beskrivits på detta sätt, sa Sutherland. Med Sutherlands nya och innovativa metoder för att studera havsdjur kan forskare inse att spiralsimning är mer genomgripande än man tidigare trott.
"Det är en studie som öppnar upp fler frågor än ger svar", sa Sutherland. "Det finns det här nya sättet att simma som inte har beskrivits tidigare, och när vi startade studien försökte vi förklara hur det fungerar. Men vi fann att det finns många fler öppna frågor, som vad är fördelarna med att simma på det här sättet. Hur många olika organismer snurrar eller korkskruvar?"
Mer information: Kelly R. Sutherland et al, Spinning och korkskruvning av oceaniskt makroplankton avslöjat genom in situ-avbildning, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm9511
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Oregon
