通过CFD模拟研究古代生物的行为

2017年7月24日

如果您要及时回到Ediacaran时期的五十亿年,您会发现海洋中充满了奇怪的生物,被古生物学家称为“ Ediacara Biota”,这是世界上第一个大型,复杂的多细胞生命形式。我们仍然有很多关于这些古老生物的知识,包括它们是否可以移动以及它们的喂养方式。一个研究小组通过使用CFD模拟研究地球早期海洋的灭绝生物来寻求这些问题的答案:Parvancorina

埃迪亚卡兰时期的神秘

大约635至5.41亿年前的Ediacaran时期的生活是什么样的?总的来说,科学家认为这次的海洋生物几乎都是静止的,永久地隶属于海底。这个假设有时应用于Ediacaran分类单元Parvancorina,这是一个居住在5.55亿年前的更奇怪的埃迪亚拉·比奥塔(Ediacara Biota)的“海报孩子”。

如果Parvancorina今天还活着,您可以在手指的尖端上平衡其整个屏蔽形身体(大约是一分钱的大小)。仔细观察,您会在其背面看到一组独特的脊,形成锚或T状的形状。

Parvancorina的插图。
插图的解释Parvancorina

虽然有很多Parvancorina化石保存在俄罗斯和南澳大利亚州的岩石中,这种简单的生物没有关于它是否移动或喂养的线索。解决这些奥秘是确定进化和生态重要性的关键步骤Parvancorina

Parvancorina的形象,是过去的生物。
Parvancorina化石的照片。

Parvancorina Minchami(剩下)。Matteo de Stefano/Muse的图片 - 科学博物馆。获得许可CC BY-SA 3.0, 通过Wikimedia Commons。一个Parvancorina化石(右)。图像在公共区域

为了找到答案,来自范德比尔特大学,牛津大学自然历史博物馆,洛杉矶县自然历史博物馆和多伦多密西沙加大学的一个团队转向CFD模拟。

借助ComsolMultiphysics®软件,这些研究人员能够深入了解古代的生活Parvancorina该研究团队成员Simon A.F. Darroch博士说,这是“最怪异,最鲜为人知的Ediacaran […]生物之一”。他在研究中阐述了这项研究:“流体动力学模拟提供了测试围绕埃迪亚卡兰喂养和运动的假设的唯一明智的方法。”

使用CFD模拟分析灭绝生物的行为

研究人员创建了3D CAD模型Parvancorina根据对化石标本的观察,他们能够轻松地导入Comsol®软件。这些模型包括一个无效的模型Parvancorina身体以及三种不同形态的完整模型:

  1. Parvancorina Minchami来自南澳大利亚
  2. Parvancorina Minchami来自俄罗斯
  3. Parvancorina Sagitta来自俄罗斯
Parvancorina模型描述的几何形状,版权Imran A. Rahman。
具有流线的Parvancorina模型,版权Imran A. Rahman。

团队的一个例子Parvancorina模型几何形状和CFD模拟。图像版权所有©Imran A. Rahman博士。

使用Comsol多物理学,该团队能够模拟浅海环境的典型电流Parvancorina称为家,看看其结构如何影响其与这种环境的相互作用。在模拟中,研究人员测试了各种入口速度,模型取向和网状尺寸。

海洋的照片。
大多数Ediacaran生物都像Parvancorina,似乎更喜欢生活在浅水环境中,而不是如上图所示的更深的海洋环境。

研究小组的另一位成员Imran A. Rahman博士指出,Comsol Multiphysics是“一个非常用户友好的程序,能够模拟我们感兴趣的非常复杂的3D形状(即化石)周围的流体流动。”该软件还使他们能够生成高质量的流速和简化图,以轻松可视化其结果。

可以Parvancorina移动?

确定是否Parvancorina是移动或静止的,研究人员使用comsol多物理学来计算Parvancorina楷模。结果表明Parvancorina形态型在不同方向上经历了不同量的阻力。

由于阻力可能有害于生活在海底,可能会驱逐或伤害它们的生物,因此保持最小化拖动的位置的能力,这将需要根据其浅水环境的变化电流进行重新定位,这将大大受益Parvancorina。因此,CFD模拟的结果提供了良好的间接证据Parvancorina一生是流动的。具有减少一个方向拖动到电流的身体形状是生活在具有可变电流环境中的移动生物的共同特征。

能够保持相对于当前方向的特定位置可能会受益Parvancorina以其他方式。该团队的研究表明,流量并未均匀分布在Parvancorina对于任何方向,形态或当前速度。相反,外部形态导致循环流向局部区域,特定区域的变化取决于Parvancorina到电流。

对古代生物体的CFD模拟,并带有注释的再循环区域。
Parvancorina CFD模拟的特写视图。

循环区域Parvancorina身体。

这可能是一个迹象表明Parvancorina是一种悬浮液,能够将悬浮在水中的有机材料流向其饲养结构。如果是这样,Parvancorina将不得不保持与电流有关的一定对准,以有效地将食物引导到其身体的正确区域。因此,与计算的阻力力一样,该结果也表明Parvancorina将从海底重新定位的能力中受益匪浅。

面向流程的2D模型,版权Imran A. Rahman。
面对流动时,Parvancorina周围的再循环区域的3D COMSOL模型,前视图。
面对流动时,围绕Parvancorina周围的再循环区的3D模型,后视图。
垂直于流量的Parvancorina的2D模型,版权Imran A. Rahman。
当垂直于流动的前视图时,Parvancorina周围的再循环区的3D模型。
当垂直于流动的后视图时,Parvancorina周围的再循环区的3D模型。
Parvancorina的2D模型远离流程,版权所有Imran A. Rahman。
当手臂在下游,后视图时,Parvancorina周围的再循环区域的3D模型。
当手臂向下放置时,前视图时,Parvancorina周围的再循环区域的3D模型。

2D和3D流场图显示了不同的Parvancorina方向在不同位置创建再循环区域。什么时候Parvancorina面对流动,这会导致形成两个再循环区域,正好在其身体的锚形部分的“手臂”后面(顶行)。当迎面而垂直于中央“小腿”时,主要再循环发生在锚固形的柄的后面Parvancorina(中排)。最后,如果“手臂”位于下游Parvancorina(底行)。2D图像版权所有©Imran A. Rahman博士。

独特的锚形山脊Parvancorina产生另一个线索,告诉我们这个生物是悬架喂食器。虽然山脊并没有减少阻力,也不是防御性结构,但研究人员的模拟表明它是循环所需的 - 无效的模型Parvancorina没有山脊,就不会直接循环流过整个身体。这与我们对现存海洋无脊椎动物的了解相匹配。具有专门结构的有机体,其凹面面向上游,通常是被动悬架喂食器。这表明此类结构可能会为悬浮液提供者提供共同的好处,例如影响流体流量和收集食物的能力。

团队以前的研究表明固定Ediacaran悬浮液需要以任何方向向人体捕获区域(因为它们本身都无法重新定位),这需要液体流动。由于有机材料的流量仅针对推定的食物捕获区域Parvancorina在电流的某些方向上,必须有效地作为悬架喂食器有效地喂食。也有可能Parvancorina例如,通过在海底沉积物中消耗死有机物的方式以不同的方式喂食。关键是,如果Parvancorina以这两种方式喂养,它都需要移动。

解决Parvancorina行为……现在

根据其广泛的CFD模拟,研究团队能够提供间接证据Parvancorina是流动的,也许有任何化石尚未看到的肌肉或附属物。如果这是正确的,那可能意味着Parvancorina是最古老的知名生物风湿性,定向面对迎面电流的行为。

这些发现与独立研究由另一个研究小组表演,发现Parvancorina化石通常被对齐以面对电流,并确定这代表了风湿性反应。

这项工作为其他Ediacaran生物可能流动的可能性打开了大门 - 提供了Ediacaran底栖生态系统的新视图。该团队计划通过使用COMSOL软件在未来的项目中研究其他Ediacaran生物来继续进行调查。达罗奇指出:“ CFD研究对Ediacaran Biota的生物学和生态学发明了非凡的新灯,它代表了复杂生活的第一个(也是最神秘的)辐射。”“了解复杂生活的来源以及如何产生的方式,取决于我们了解Ediacarans的适合位置。”

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