Titta in i en tidvattenpool längs stranden och du kan se en sjöstjärna som tyst klänger sig fast vid en sten. Men den trygga vuxenlivet kommer på bekostnad av en upprörande larvresa. Små sjöstjärnarlarver - var och en mindre än ett riskorn - tillbringar 60 dagar och 60 nätter med att paddla det öppna havet, matning för att ackumulera energin som behövs för att omvandlas till den välbekanta stjärnformen.

Längs vägen måste larverna göra avvägningar mellan att paddla på jakt efter mat och att bli utmattade av resan. Nu i en Naturfysik ett team ledd av Stanfords bioingenjör Manu Prakash har avslöjat den vackra och effektiva mekanismen som gör att dessa ödmjuka varelser kan överleva till vuxen ålder.

"Vi har visat att naturen utrustar dessa larver för att röra om vattnet på ett sådant sätt att de skapar virvlar som tjänar två evolutionära syften:förflytta organismerna samtidigt som maten förs nära nog att gripa, sade Prakash, en biträdande professor i bioteknik och nyligen vinnare av MacArthur Foundations "genialistiska" bidrag.

Genom att använda experimentella tekniker som fångar den visuella skönheten och den matematiska grunden för denna mekanism, forskarna visar hur formen och formen på sjöstjärnans larver möjliggör de funktioner som är nödvändiga för att stödja livet.

"När vi ser konstiga och vackra former i naturen tar vi tillbaka dem till labbet och frågar varför de utvecklades på det här sättet, "Sade Prakash. "Det är perspektivet vi tar till biologi:att matematiskt förstå hur fysiken formar livet."

William Gilpin, första författare på tidningen och en doktorand i Prakash Lab, sa att dessa fynd belyser liknande evolutionära utmaningar som involverar dussintals marina ryggradslösa djur som är relaterade till sjöstjärnans larver på ett nyckelsätt.

"Evolution strävar efter att tillfredsställa grundläggande begränsningar, " sa Gilpin. "Den första lösningen som fungerar väldigt ofta vinner."

Komplexa virvlar

Dessa experiment började sommaren 2015 vid Stanfords Hopkins Marine Station i Pacific Grove, Kalifornien. Forskarna gick en kurs i embryologi när de började undra över den evolutionära grunden för sjöstjärnans larvs form - varför såg den ut som den gjorde.

Föra denna nyfikenhet tillbaka till labbet, gruppen studerade organismerna på ett systematiskt sätt, mata larverna med näringsalger och observera deras rörelser med videoaktiverade mikroskop.

"Vårt första eureka-ögonblick kom när vi såg de komplexa virvlarna flöda runt dessa djur, " sa Vivek Prakash (ingen relation), en postdoktor i bioteknik och tredje medlem i teamet. "Det här var vackert, oväntat och fastnade för oss alla. Vi ville ta reda på hur och varför dessa djur skapade dessa komplexa flöden."

Gilpin sa att virvlarna var förbryllande eftersom de inte verkade ha någon evolutionär mening. Det tog mycket energi att skapa spiralflöden av vatten; alltså en larv med bara tre imperativ - foder, flytta och växa - måste ha en anledning att lägga ner sådana ansträngningar.

Orkester av ögonfransar

När forskarna väl kom på hur larverna fick vattnet att virvla, den förståelsen ledde dem till varför, och experimentet nollställde en av evolutionens mest utbredda strukturer, flimmerhåren, från det latinska ordet för ögonfransar.

Föreställ dig att flimmerhåren på en sjöstjärnelarv är som årorna som kan användas för att ro en gammal galär - förutom att varje larv har cirka 100, 000 åror, arrangerade i vad forskare kallar ciliära band som omgärdar organismen i ett mönster som är mycket mer komplext än någon galärs åror.

Roddmetaforen antyder komplexiteten som forskarna fann när de studerade hur dessa 100, 000 ögonfransar paddlade larven genom vatten.

Som åror, flimmerhåren hade tre potentiella åtgärder:framåt, backa och stanna. Och precis som med åror, flimmerhåren rörde sig i olika synkroniserade mönster för att skapa olika rörelser. Förmodligen orkestrerad av dess nervsystem, larven slår sina 100, 000 ögonfransar i vissa mönster när den vill mata, för att virvla runt vattnet på ett sätt som för alger nära nog att gripa. Sedan, med ett annat fladder av ögonfransar, larven skapar ett nytt mönster av virvlar och rusar iväg.

Forskarna insåg att de observerade en aktiv och tidigare okänd mekanism som förbättrade larvens chanser att överleva. Den fysiska strukturen hos sjöstjärnans larv, kontrolleras av dess nerver, gör det möjligt för den att göra avvägningar mellan foder och hastighet - dröjer sig kvar när det är rikligt med alger, sedan kastar sig iväg om näringsämnen blir knappa.

När de övervägde konsekvenserna av dessa fynd, forskarna antog att denna feed-versus-hastighetsmekanism sannolikt tillämpas på andra ryggradslösa larver som - även om de skiljer sig från sjöstjärnslarver i form - ändå är kända för att ha liknande ciliära band. I framtida experiment planerar Stanford-forskarna att använda samma teknik för att studera dessa andra larvformer. Vad de hoppas lära sig är hur evolutionen har tagit en viss mekanism, ciliarbandet, och löste samma kompromiss mellan matning och hastighet i dussintals olika former och former.

"Det är vad vi gör i mitt labb, " Prakash sa, "leta efter grundläggande principer som vi kan uttrycka i ekvationer för att beskriva skönheten, mångfald och funktioner hos olika livsformer."

Prakash är också medlem i Stanford Bio-X och Stanford ChEM-H och en filial till Stanford Woods Institute for the Environment.