Новые данные о затратах энергии при плавании получены с помощью моделирования рыб

Новый вычислительный анализ показывает, что для достижения максимальной скорости плавания при минимальных затратах энергии необходим оптимальный баланс между динамикой мышц рыбы и влиянием её размера, формы и характера движения на перемещение в воде. Эти результаты представили Гргур Токич и Дик Юэ из Массачусетского технологического института в журнале PLOS Computational Biology.

Рыбы и другие организмы, такие как лосось и дельфины, плавают волнообразно, что позволяет развивать высокие скорости при низких энергозатратах. Многие современные представления о потреблении энергии во время плавания основаны на достижениях в понимании биомеханики мышц рыб или моделировании гидродинамики плавания — того, как рыба движется в воде в зависимости от своего размера, формы и характера движения. Однако лишь немногие исследования объединяют оба подхода.

Для получения более полной картины Токич и Юэ использовали ранее разработанную ими математическую модель, которая сочетает биомеханику мышц с гидродинамикой плавания. С её помощью они провели масштабный анализ потребления энергии во время плавания — начиная от энергии, поступающей в мышцы, и отслеживая её преобразование в полезное гидродинамическое движение.

В отличие от предыдущих исследований, новый анализ показывает, что для минимизации энергии, потребляемой рыбой заданной массы тела на заданном расстоянии, ей не нужно плавать с максимальной эффективностью, рассчитываемой как отношение мощности, производимой мышцами, к потребляемой мощности. Для достижения максимальных скоростей плавания мышцам рыб не обязательно работать на максимальной мощности. Эти выводы подтверждаются реальными наблюдениями за плавающими организмами в диапазоне размеров, охватывающем девять порядков величины.

«Наши выводы неожиданны, но они вытекают из первых принципов лежащей в основе физики, — говорит Юэ. — Они предполагают, что энергетику плавания можно существенно улучшить, оптимизировав баланс между работой мышц и гидродинамикой».

Хотя в данном исследовании моделировался идеализированный организм, учёные надеются в дальнейшем смоделировать энергетику плавания реальных рыб, таких как тунец или лосось. Потенциальным практическим применением этой работы может стать создание искусственных биомиметических плавающих аппаратов с беспрецедентной эффективностью.