Les robots ammonites recréent les mouvements d’animaux anciens

Dans la piscine universitaire, les chercheurs et leurs caméras sous-marines surveillent de près le dégagement de la coque des pinces métalliques. La coquille commence à se déplacer par ses propres moyens, donnant aux scientifiques un aperçu de ce à quoi les océans auraient pu ressembler il y a des millions d’années, lorsqu’ils étaient pleins de ces animaux omniprésents.

Ce n’est pas Jurassic Park, mais c’est une tentative d’en savoir plus sur la vie ancienne en la recréant. Dans ce cas, le divertissement sera des robots imprimés en 3D conçus pour reproduire la forme et le mouvement des ammonites, des créatures marines qui ont à la fois précédé et contemporain les dinosaures.

Les robots ammonites ont permis aux chercheurs d’explorer des questions sur la façon dont la forme de la coquille affectait la capacité de nager. Ils ont trouvé des compromis entre stabilité et maniabilité dans l’eau, suggérant que l’évolution des coquilles d’ammonite a exploré différentes conceptions pour différents avantages plutôt que de converger vers une seule meilleure conception.

“Ces résultats confirment qu’il n’existe pas de forme de coquille optimale unique”, déclare David Peterman, chercheur postdoctoral au Département de géologie et de géophysique de l’Université de l’Utah.

L’étude sera publiée dans Rapports scientifiques et est soutenu par la National Science Foundation.

“Donner vie aux ammonites”

Peterman et Kathleen Ritterbush, professeur adjoint de géologie et de géophysique, ont étudié l’hydrodynamique, ou la physique du mouvement dans l’eau, d’anciens céphalopodes à coquille, y compris les ammonites, pendant des années. Les céphalopodes comprennent aujourd’hui les poulpes et les calmars, avec un seul groupe ayant une coquille externe, le nautile.

Avant l’ère actuelle, les céphalopodes à coque étaient partout. Bien que leurs coquilles rigides enroulées auraient affecté leur libre circulation dans l’eau, elles ont connu un succès phénoménal sur le plan de l’évolution, persistant pendant des centaines de millions d’années et survivant à chaque extinction massive.

“Ces caractéristiques en font un excellent outil pour étudier la biomécanique évolutive”, explique Peterman, “l’histoire de la façon dont les mollusques benthiques (de fond) sont devenus l’un des groupes d’invertébrés marins les plus complexes et les plus mobiles. Ma recherche plus large vise à mieux comprendre ces animaux énigmatiques, leurs rôles dans l’écosystème et les processus évolutifs qui les ont façonnés.

Peterman et Ritterbush ont précédemment construit des modèles 3D grandeur nature de céphalopodes en forme de cône et, en les relâchant dans des piscines, ont découvert que les animaux anciens vivaient probablement des vies verticales, se déplaçant de haut en bas dans la colonne d’eau pour trouver de la nourriture. Le mouvement de ces modèles n’était régi que par la flottabilité et l’hydrodynamique de la coque.

Mais Peterman a toujours voulu construire des modèles qui ressemblent à des animaux vivants.

“J’ai voulu construire des robots depuis que j’ai développé les premières techniques pour reproduire les propriétés hydrostatiques dans des modèles physiques, et Kathleen m’a également encouragé”, explique Peterman. “La propulsion à bord nous permettra d’enquêter sur de nouvelles questions sur les limites physiques du mode de vie de ces animaux.”

La flottabilité est devenue le principal défi de Peterman. Il avait besoin que les modèles aient une flottabilité neutre, ni flottant ni coulant. Il avait également besoin que les modèles soient étanches, à la fois pour protéger l’électronique à l’intérieur et pour empêcher les fuites d’eau de modifier le délicat équilibre de la flottabilité.

Mais le travail supplémentaire en vaut la peine. “Ces techniques peuvent être utilisées pour étudier de nouvelles questions”, explique Peterman, “y compris la dynamique complexe des jets, l’efficacité de l’inclinaison et la maniabilité 3D de formes de coque spécifiques”.

Trois types de coquilles

Les chercheurs ont testé des ammonites robotiques avec trois formes de coquille. Ils sont basés en partie sur la coquille de Nautilus moderne et modifiés pour représenter la forme des anciennes coquilles d’ammonite. Le modèle dit serpenticon avait des tourbillons denses et une coquille étroite, tandis que le modèle sphérocone avait peu de tourbillons grossiers et une large coquille presque sphérique. Le troisième modèle, l’oxycone, se situait quelque part au milieu : des tourbillons épais et une coque étroite et profilée. Vous pouvez les considérer comme formant un diagramme triangulaire représentant des “membres finaux” avec différentes propriétés de coque.

“Tous les céphalopodes planispiraux qui ont jamais existé portent des motifs sur ce diagramme”, explique Peterman, permettant d’évaluer les propriétés des formes intermédiaires.

Une fois les modèles imprimés en 3D construits, gréés et pesés, il était temps d’aller à la piscine. Travaillant d’abord chez Brenda Bowen, professeur de géologie et de géophysique, et plus tard dans le Crimson Lagoon américain, Peterman et Ritterbush ont installé des caméras et des lumières sous l’eau et ont libéré les ammonites robotiques, suivant leur position dans l’espace 3D pendant environ une douzaine de “courses”. pour chaque type de coque.

CRÉDIT PHOTO: David Petermann

“Run” expérimental d’une ammonite robotisée. Il s’agit d’une forme circulaire de Sphaerocone avec des points de suivi pour suivre le mouvement en trois dimensions.

Il n’y a pas de forme de coquille parfaite

En analysant les données de test de pool, les chercheurs ont recherché les avantages et les inconvénients associés à chaque fonctionnalité de coque.

“Nous nous attendions à ce qu’il y ait une variété d’avantages et de conséquences pour toute forme particulière”, explique Peterman. “L’évolution leur a donné un moyen de locomotion tout à fait unique après les avoir libérés du fond de la mer avec une palourde remplie de gaz. Ces animaux sont essentiellement des sous-marins à corps rigide propulsés par des jets d’eau. La coque n’est pas idéale pour la vitesse ou la maniabilité, dit-il, mais les céphalopodes à coquille en spirale sont devenus cependant une diversité considérable au cours de chaque extinction de masse.

“Tout au long de leur évolution, les céphalopodes à coquille externe ont surmonté leurs limites physiques en expérimentant sans cesse des variations dans la forme de leurs coquilles enroulées”, explique Peterman.

Alors, quelle forme de coquille était la meilleure ?

“L’idée qu’une forme est meilleure qu’une autre n’a pas de sens sans se poser la question ‘mieux en quoi ?'” dit Peterman. Les obus plus étroits avaient moins de traînée et plus de stabilité lorsqu’ils se déplaçaient dans une direction, améliorant ainsi leur efficacité de pulvérisation. Mais des coques plus larges et plus sphériques pouvaient changer de direction plus facilement en tournant sur un axe. Cette maniabilité peut les avoir aidés à attraper des proies ou à éviter les prédateurs lents (comme d’autres céphalopodes à carapace).

Peterman note que certaines interprétations considèrent que de nombreuses coquilles d’ammonites sont hydrodynamiquement inférieures aux autres, limitant trop leur mouvement.

“Nos expériences, ainsi que le travail de collègues de notre laboratoire, montrent que les conceptions de coques traditionnellement interprétées comme “inférieures” sur le plan hydrodynamique peuvent avoir quelques inconvénients, mais ne sont pas des dériveurs immobiles”, explique Peterman. “Pour les céphalopodes à coquille externe, la vitesse n’est certainement pas la seule mesure de performance.” Presque toutes les variations dans la conception des coquilles apparaissent dans les archives fossiles à un moment donné, dit-il, montrant que différentes formes offraient différents avantages.

“La sélection naturelle est un processus dynamique qui change avec le temps et implique de nombreux compromis fonctionnels et d’autres contraintes”, dit-il. “Les céphalopodes à coquille externe sont des cibles idéales pour étudier leur dynamique complexe en raison de leur énorme plage temporelle, de leur importance écologique, de leur abondance et de leurs taux d’évolution élevés.”

L’étude complète est disponible ici.

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