Fizyka stojąca za niezdarnym chodem niesporczaka

Fizyka stojąca za niezdarnym chodem niesporczaka

Pulchne i ociężałe niesporczaki zyskały przydomek „niedźwiedzie wodne”, gdy naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali charakterystyczne, ociężałe chód tych zwierząt o długości 0,02 cm w XVIII wieku. Jednak ich przysadzisty bieg nasuwa pytanie, dlaczego niesporczaki w ogóle wyewoluowały do ​​chodzenia. Zwierzęta tak małe i miękkie jak niesporczaki rzadko mają nogi i prawie nigdy nie zawracają sobie głowy chodzeniem. Na przykład okrągłe robaki podobnej wielkości i budowy ciała miotają się, ślizgając się po nieprzewidywalnych substratach. Jednak niedźwiedź wodny, mikrozwierzę tak odrębne, że naukowcy byli zmuszeni przypisać je do własnej gromady, używa ośmiu krótkich odnóży, aby w nieprawdopodobny sposób przemieszczać się przez osady morskie i słodkowodne, przez pustynne wydmy i pod glebą. Teraz nowe badanie w PNAS analizuje chód niesporczaków i stwierdza, że ​​niedźwiedzie wodne chodzą w sposób najbardziej przypominający owady 500 000 razy większe od nich. Odkrycie sugeruje istnienie albo wspólnego przodka, albo przewagi ewolucyjnej, która wyjaśnia, dlaczego jedno z najmniejszych i najbardziej miękkich stworzeń wyewoluowało, by chodzić jak większe owady o twardym ciele. „Niesporczaki mają solidny i wyraźny sposób poruszania się – nie są to te niezdarne istoty, które potykają się po pustyni lub w ściółce” – mówi Jasmine Nirody, pracownik Rockefeller’s Center for Studies in Physics and Biology. „Podobieństwa między ich strategią lokomotywy a znacznie większymi owadami i stawonogami otwierają kilka bardzo interesujących pytań ewolucyjnych”.
Płynne biegacze
Nirody i jego koledzy najpierw ustalili, jak niedźwiedzie wodne chodzą i biegają. „Jeśli wystarczająco długo obserwujesz niesporczaki pod mikroskopem świetlnym, możesz uchwycić szeroki zakres zachowań” – mówi Nirody. „Nie zmuszaliśmy ich do niczego. Czasami byli naprawdę zmarznięci i chcieli po prostu pospacerować po podłożu. Innym razem widzieli coś, co im się podobało i biegli w jego kierunku”. Nirody odkrył, że w najbardziej spokojnym czasie woda waży około połowy ciała na sekundę. Na pełnym gazie, ich szybkie kroki niosły ich dwie długości ciała w tym samym czasie. Ale zaskoczenie pojawiło się, gdy zauważyła, jak stopy niedźwiedzia wodnego stykają się z ziemią, gdy nabiera rozpędu. W przeciwieństwie do kręgowców, które mają odrębny chód dla każdej prędkości – wyobraźmy sobie końskie kopyta, gdy przechodzą ze stępa do galopu – niesporczaki biegają bardziej jak owady, biegnąc z coraz większą prędkością, nigdy nie zmieniając swojego podstawowego wzorca kroku. „Kiedy kręgowce przestawiają się z chodzenia na bieganie, następuje nieciągłość” – mówi Nirody. „W przypadku stawonogów wszystkie wzorce stąpania istnieją wzdłuż tego samego kontinuum”.
Starożytna koordynacja
Dlaczego niesporczaki mają tę samą strategię lokomotywy co znacznie większe owady o twardym ciele? Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że niesporczaki, od dawna uważane za niepasujące do żadnej istniejącej taksonomii, mogą mieć wspólnych przodków – a nawet wspólny obwód nerwowy – z owadami, takimi jak muszki owocowe, mrówki i inne segmentowane, biegające stworzenia. W rzeczywistości niektórzy naukowcy opowiadają się za klasyfikacją niesporczaków w ramach proponowanego kladu panartropodów, grupy zbiorczej, która przydzieliłaby wspólną przestrzeń na półkach owadom, skorupiakom, robakom aksamitnym i niedźwiedziom wodnym. Inną możliwością jest to, że nie ma przodków między niesporczakami a stawonogami, ale niespokrewnione grupy organizmów niezależnie przyjęły te same strategie chodzenia i biegania, ponieważ były one ewolucyjnie korzystne. Być może najlepszym sposobem poruszania się po nieprzewidywalnym terenie z mikroskopijnym ciałem jest brnięcie jak niedźwiedź wodny. Nirody jest równie zafascynowany obiema możliwościami. „Jeżeli istnieje jakiś ancestralny system nerwowy, który kontroluje cały chód panartropów, musimy się wiele nauczyć” – mówi. „Z drugiej strony, jeśli stawonogi i niesporczaki zbiegły się z tą strategią niezależnie, to można wiele powiedzieć o tym, co czyni tę strategię tak przyjemną dla gatunków w różnych środowiskach”. Poza implikacjami dla biologii ewolucyjnej i badania lokomocji zwierząt, odkrycia mogą mieć konsekwencje dla rozwijających się dziedzin robotyki miękkiej i mikroskalowej. Badając, w jaki sposób małe zwierzęta ewoluowały, aby poruszać się w trudnych środowiskach, naukowcy mogą być w stanie zaprojektować roboty, które mogą skuteczniej wciskać się w małe przestrzenie lub działać w mikroskali. „Nie wiemy zbyt wiele o tym, co dzieje się w ekstremalnych warunkach lokomocji – jak zrobić wydajny mały chodzik lub jak powinny się poruszać przedmioty o miękkim ciele” – mówi Nirody. „Niesporczaki są ważnym iluminatorem w lokomocji w mikroskali o miękkim ciele”.

science