Размер не имеет значения — по крайней мере, для молот-рыб и их плавательных способностей
Акулы бывают самых разных форм и размеров, и, пожалуй, самая необычная из них — акула-молот, которую легко узнать по странной форме головы. Большинство исследований молот-рыб было сосредоточено именно на их расширенных в стороны головах (цефалофойлах), их использовании для зрения и обоняния, а также влиянии на гидродинамику и эффективность сенсорных систем. Существует около девяти известных видов акул-молотов с кардинальными различиями в форме тела, включая форму и размер головы. Хотя многое известно о различиях в их электрорецепции, обонянии и зрении, почти ничего не известно о том, влияют ли различия в форме на их плавательные способности.
Исследователи из Флоридского Атлантического университета провели первое исследование, в котором изучили форму всего тела и кинематику плавания двух близкородственных, но очень разных видов акул-молотов: боннетгедовой и гигантской акулы-молота, получив неожиданные результаты.
Взрослые боннетгедовые акулы имеют длину около 2–3 футов (0.6–0.9 м), а ширина их головы составляет около 18% от длины тела. Взрослые гигантские акулы-молоты достигают около 12 футов (3.6 м) в длину, а ширина их головы составляет около 30% от длины тела. Несмотря на эти различия, результаты нового исследования, представленного на обложке текущего выпуска Journal of Experimental Biology, показывают, что в итоге размер или форма действительно не имеют значения, по крайней мере, когда речь идет о плавании.
Используя междисциплинарный подход в Лаборатории биомеханики под руководством Марианны Э. Портер, доктора философии, доцента биологических наук и соавтора исследования, ученые решили проверить свою гипотезу: разные формы головы и размеры тела акул-молотов должны приводить к различиям в их плавательных характеристиках.
Перед началом исследования Портер, Сара Л. Хоффманн, ведущий автор и аспирант по биологическим наукам, и Стивен Мэтью Уоррен, соавтор и студент старшего курса факультета машиностроения и океанотехники, изучили КТ-сканы обоих видов. Поскольку скелет акул полностью состоит из сильно минерализованного хряща, они смогли увидеть заметные различия в физиологии двух видов.
Для проверки гипотезы они сосредоточились на ундуляции — движении тела и хвоста из стороны в сторону для продвижения вперед. Цель: выяснить, меняется ли движение тела между этими двумя видами с очень разной формой головы.
Начиная с 2015 года, они просмотрели часы видеозаписей плавания гигантских и боннетгедовых акул-молотов. Они анализировали частоту и амплитуду взмахов хвоста. Видео анализировалось последовательно для выбора фрагментов, в которых акулы совершали не менее трех полных циклов взмахов хвостом при прямом, равномерном плавании. Уоррен проанализировал и сжал видео в минутный сегмент, что позволило команде использовать измерения для сравнения механики плавания двух видов. Все необходимые измерения были получены из этой сжатой минуты видеозаписи.
«Один из наиболее уникальных аспектов нашего исследования заключается в том, что мы смогли наблюдать, как эти акулы плавают в больших резервуарах, двигаясь естественным образом», — сказала Портер. — «Большинство исследований помещают акул в гидроканалы, которые по сути являются подводными беговыми дорожками, заставляя их двигаться. Нам интересно изучать, как эти животные двигаются сами по себе, как для усилий по сохранению, так и для реальных приложений, таких как биоинспирированная инженерия».
Результаты исследования показали, что боннетгедовые акулы сильнее раскачивают тело из стороны в сторону и, следовательно, имеют большую амплитуду ундуляции. С другой стороны, гигантские акулы-молоты сгибаются быстрее и имеют более высокую частоту ундуляции.
«Когда мы скорректировали данные с учетом размера их тела, мы обнаружили, что на самом деле они плыли с одинаковой скоростью, чтобы добраться из точки А в точку Б, но делали это по-разному», — сказала Хоффманн. — «Несмотря на различия, они достигают одного и того же пункта назначения в одно и то же время; они просто используют разную механику тела».
Ключевой вывод исследования заключается в том, что у обоих видов голова движется с другой скоростью, чем остальное тело. Фактически, она движется вперед-назад намного быстрее, чем остальное тело. Подобно осетровым рыбам, исследователи обнаружили, что у этих акул-молотов есть двойная осциллирующая система. Они предполагают, что это связано с повышенной способностью к сенсорному восприятию.
«Мы никак не могли предвидеть двойную осциллирующую систему у этого вида», — сказала Хоффманн. — «То, что движение головы отличается от движения остального тела, — это то, что почти невозможно увидеть невооруженным глазом».
Исследователи отмечают, что при двойной осциллирующей системе голова акулы движется гораздо быстрее, чем остальная часть тела, по сути, для сканирования большей площади окружающей среды.
«Представьте себе металлоискатель, когда вы двигаете им вперед-назад», — сказала Хоффманн. — «Они будут охватывать большую территорию для электрорецепции и обоняния, и им нужно делать это с большей скоростью, чем остальная часть их тела».