I världens hav, miljarder små marina sniglar (en form av plankton) pendlar dagligen mellan ytvatten, där de matar på natten, till flera hundra meters djup under dagen för att vila samtidigt som man undviker rovdjur. Marinsniglar spelar en viktig roll i geokemiska cykler och klimat:12-13% av det globala karbonatflödet uppstår när kalciumkarbonatskal av döda sniglar sjunker till djupet, där de löser sig och bidrar till atmosfäriskt kol och försurning av havet. Men eftersom de är svåra att studera och inte kan förvaras i laboratoriet, beteendet hos dessa djur - som bär poetiska namn som havsfjärilar - är dåligt känt, särskilt för de subtropiska och tropiska regionerna där deras mångfald är störst.
Här, ett team av oceanografer och ingenjörer som är specialiserade på forskning vid skärningspunkten mellan vätskefysik och biologi, filma rörelserna av tropiska marina sniglar och analysera dessa både ur flytande fysik och ekologiskt perspektiv. De visar att varje art har en distinkt stil att simma och sjunka, vackert att titta på, beroende på formen på deras skal (lindad, långsträckt, eller rund), kroppsstorlek, närvaron av flaxande "vingar", och hastighet. Den minsta, de långsammaste arterna har svårare att simma på grund av att havsvattnet är "klibbigare" och mer trögflytande för dem - rent tekniskt sett, med ett lägre "Reynolds -nummer" - som påverkar vinkeln, bana, och stabilitet i deras rörelse.
"Vi ville svara på hur dessa vackra djurs badbeteende påverkas av deras olika skalformer och storlekar. Vi fann att arter med ett skal formad som en flygplansvinga simmar snabbare och är mer manövrerbara än de med" snigelliknande "spiral Att förstå dessa djurs simförmåga hjälper oss att bättre förstå deras ekologiska betydelse och fördelning i havet. som ingenjörer, vi hoppas kunna lära av dessa organismers simstil att designa en ny generation bioinspirerade undervattensfordon, "säger motsvarande författare Dr. David Murphy, Biträdande professor vid Institutionen för maskinteknik vid University of South Florida, Tampa, Florida.
Mellan 2017-2019, forskarna fångade flera individer av nio arter av marina sniglar (0,9-13,1 mm långa) på natten utanför Bermuda, inklusive 7 arter av de kosomatiska pteropoderna ("havsfjärilar"), en art av gymnosomatösa pteropoder ("havsänglar", som saknar skal som vuxna), och en art av atlantid heteropoder. De transporterade dem till laboratoriet, där de spelade in sitt beteende i ett saltvattenakvarium med höghastighets stereofotogrammetri, en teknik som spårar rörelser i 3D med ett par kameror. För varje art, de beräknade den absoluta och normaliserade hastigheten (i förhållande till kroppslängden) under aktivt simning och passiv sjunkning, frekvensen av vingrörelser, nedstigningsvinkeln under sjunkande, tortuositeten på stigningsvägen under simning, och Reynolds -numret.
De visar att varje art har ett distinkt simmönster, i allmänhet stigande i en sågad spiral vid 12-114 mm/s, eller 1-24 kroppslängder per sekund-motsvarande en medelstor människa som simmar upp till 40 m per sekund. Sniglarna sjunker i liknande hastigheter, men i en rak linje, i en vinkel på 4-30 ° i förhållande till vertikal.
"Vi drar slutsatsen att simning och sjunkande beteende hos dessa pelagiska sniglar överensstämmer starkt med skalform och storlek. Små sniglar med snurrade skal simmar långsammare medan större sniglar med flaskformade eller vingformade skal simmar snabbare eftersom deras större storlekar gör att de kan övervinna effekterna av vattenviskositet. simhastigheten korrelerar inte med hur långt dessa djur migrerar varje dag, vilket tyder på att ljus- och temperaturnivåer och förekomsten av rovdjur och byten också spelar en roll. Vi fann också att havsfjärilen med det vingformade skalet använder sitt skal för att 'hänga-glida' nedåt för att bromsa sin sjunkande, säger Murphy.
För att studera varje arts djuppreferenser, Murphy et al. provade ytterligare ett stort antal sniglar med ett datorstyrt nät, kallat ett multipelöppnings-/stängningsnät och miljöavkänningssystem, 0-1000 m under ytan. De använde maskininlärning (baserat på bilder) och ribosomal DNA -streckkodning för att bestämma arter. Baserat på dessa resultat, forskarna uppskattar att dessa arter reser 50-300 m per dag, i en daglig vertikal "pendling" som tar totalt 1-3,7 timmar per dag.
"Det är helt fascinerande att se dessa små, känsliga djur klappar med vingarna i riktigt komplexa rörelser för att väsentligen flyga genom vattnet. Vi har tur som har höghastighetskameror som kan sakta ner den här rörelsen tillräckligt mycket för att vi ska kunna se den. Och det är fantastiskt att tänka på att dessa havsfjärilar använder samma principer för vätskedynamik för att flyga genom vatten som insekter använder för att flyga genom luften, "avslutar Murphy.
