用CFD模拟研究5亿年前的晚宴

2021年5月13日

2016年,一组来自世界各地的研究人员长途跋涉来到非洲西南海岸的纳米比亚。广阔的沙漠和干燥的空气环绕着他们。尽管他们生活在从斑马、野马到猎豹和狮子等各种野生动物的家园,但他们也在寻找其他更古老的生命形式:埃迪卡拉纪化石。

发现埃迪卡拉生物群

埃迪卡拉纪的化石——“埃迪卡拉生物群”——是世界上已知的最早的大型多细胞生命形式。在埃迪卡拉纪(6.35亿至5.41亿年前),这一时期比寒武纪大爆发还要早,许多这样的生物都固定地生活在海底。

埃迪卡拉生物群的例子包括帕瓦科里纳酒店查尼亚Kimberella狄更逊水母

一幅小凡科瑞纳化石(左)和狄更逊水母化石(右)的图像。
左:A帕瓦科里纳酒店化石。图片可在知识共享CC0 1.0通过维基共享.正确的:狄更逊水母化石。图片根据GNU自由文档许可证通过维基共享

通过研究这些古代生物的化石(并将其与当今的动物化石进行比较),古生物学家可以了解它们一生中的行为、移动和进食方式。有了这些知识,他们可以确定这些生物在真核生物生命树上的最佳位置。

在纳米比亚的实地

2016年,一个来自加拿大、纳米比亚、美国和英国的全球研究小组在纳米比亚南部发现了厄尼塔一种从最新的埃迪卡拉纪发现的神秘生物,保存在海底的化石中。他们在一个2019年发表于科学进步

当回忆这一发现时,该研究的主要作者勃兰特·吉布森(Brandt Gibson)说:“通常在纳米比亚,我们发现的化石是被洋流冲走并一起沉积在其他地方的,这让我们无法理解它们的实际生活方式。”然而,在这种情况下,它们看起来绝对像是保存在生命位置上的,我们面前有一个原始的、未受干扰的种群。”

一张埃尼埃塔化石在一块岩石上的照片,上面举着一块板作为比例。
一幅保存完好的图像厄尼塔化石。照片来源:多伦多大学Marc Laflamme。

根据发现化石的位置,研究人员得出结论,这些固定生物生活在海底,一半埋在沉积物中。“厄尼塔吉布森说:“它们身体柔软,实际上没有坚硬的部分。我们在生命体中发现软体化石的事实非常罕见。”。

此外,这些化石是成群发现的,表明它们生活在有组织、有目的的群体中。

埃尼埃塔种群的一个例子。
厄尼塔社区。图片由范德比尔特大学提供。

在他们的工作中,该团队使用COMSOL Multiphysics®软件,利用计算流体动力学(CFD)模拟分析了这些早期生命形式的进食行为。许多生活在海洋中的现代动物已经进化,复杂的体型与流动的液体相互作用,以帮助它们进食;因此,CFD模拟为研究和解释目前很少有类似物的古代化石提供了一种方法。“模拟真正的帮助。它们允许我们进行假设测试,并观察我们无法用其他方式研究的形态,”吉布森说。

悬架馈给与仿真

研究表明,大部分埃迪卡拉生物群都是通过渗透营养或悬浮液喂养的。使用渗透营养的生物体被动地消耗有机物质,而悬浮饲养者利用水流、其结构和周围的群落来获取营养。(肌肉、牡蛎和水母是悬浮喂食器的几个例子。)

基于厄尼塔通过化石,研究人员推测这些生物主要使用悬浮喂食,因为悬浮喂食者通常群居。“在现代海洋中,暂停进食是一种普遍且非常重要的动物行为。如果我们能精确定位的话厄尼塔吉布森说:“我们确实是悬浮摄食,这让我们更加相信许多其他埃迪卡拉生物群也有能力进行悬浮摄食,并向我们表明,这些复杂的摄食行为比我们想象的要早得多。”。

首先,研究人员分析了个体模型周围的流体流动厄尼塔利用CFD模拟生物体。在这样做的过程中,他们观察到“无论埋深、流速和水流方向如何,生物体的中央空腔内都有持续的、强烈的再循环,正如预期的那样厄尼塔是一个悬挂喂食器。”(Ref。)根据这些结果,研究人员得出结论厄尼塔大部分的营养都是在中央腔中获取的。

接下来,他们在集群和间隔良好的群落周围进行变化的水流厄尼塔生活在上游和下游的模特。从这些模拟中,研究人员推断,这些集群共同控制水流,确保所有人都有足够的营养,并将废物从它们的社区输出。Gibson说:“我们能够重现5.5亿年前这些生物是如何相互影响的,这对我们来说是一件令人震惊的事情。”

单个Ernietta模型(顶部)、均匀分布的Ernietta模型总体(中部)和聚集的Ernietta模型总体(底部)的CFD模拟结果。
CFD模拟结果为水平(左)和垂直(右)截面为单个厄尼塔模型(顶部),一个分布均匀的厄尼塔模型(中),和成群的人口厄尼塔模型(底部)。注:所有模型均与流方向平行,埋深适中。此外,所有的模拟都是在入口速度为0.2 m/s的情况下进行的。版权所有©B. M. Gibson等人,摘自他们的论文《埃迪卡拉生物模块化的群居悬浮喂养》。

总的来说,这项工作表明厄尼塔吉布森说:“我们对埃迪卡拉纪时期存活的个体生物群了解得越多,我们对埃迪卡拉纪生物群作为一个整体的了解就越多。”。

最后的想法

吉布森指出,研究古代生物,比如厄尼塔,这是一项具有内在挑战性的工作。因此,他认为,在分析这些生物体时,与一个由不同专业领域的专业人士组成的研究团队合作至关重要。吉布森说:“在这项研究中,我与工程师、理论流体力学专家以及多年来一直在使用模拟和设计自己的湍流模型的人合作,我认为我们是一个更好的研究团队。”。

进一步阅读

参考

  1. B.M.Gibson等人,“模块化埃迪卡拉纪生物中的群居悬浮液喂养”,科学进步,第5卷,第6期,2019年。

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