Физика определила форму раковины аммонита

Аммониты — вымершая группа головоногих моллюсков с ребристыми спиральными раковинами. Их исключительное разнообразие хорошо известно любителям окаменелостей. Реджи Шира, исследователь из Лионской геологической лаборатории, и двое его коллег из Математического института Оксфордского университета разработали первую биомеханическую модель, объясняющую, как формируются эти раковины и почему они так разнообразны. Их подход открывает новые пути для интерпретации эволюции аммонитов и наутилусов — их гладкораковинных дальних «родственников», до сих пор населяющих Индийский и Тихий океаны. Работа опубликована в Journal of Theoretical Biology.

Чтобы понять, как биологические формы меняются в геологических масштабах времени, учёные исследуют их формирование в ходе индивидуального развития и роста организма — морфогенез. Из-за исключительного разнообразия форм и узоров (особенно рёбер) раковин аммониты широко изучались с точки зрения эволюции, но механизмы, лежащие в основе их спиралей, оставались неизвестными.

Исследователи разработали модель, объясняющую морфогенез этих раковин. Используя математические уравнения для описания того, как раковина секретируется и растёт, они продемонстрировали существование механических сил, специфичных для развивающегося моллюска. Эти силы зависят от физических свойств биологических тканей и геометрии раковины. Они вызывают механические колебания на краю раковины, которые генерируют рёбра — своего рода орнаментальный узор на спирали.

Сравнивая различные ископаемые образцы с симуляциями модели, учёные обнаружили, что модель может предсказать количество и форму рёбер у нескольких видов аммонитов. Модель показывает, что орнаментация раковины эволюционирует в зависимости от таких переменных, как эластичность тканей и скорость расширения раковины (скорость, с которой увеличивается диаметр её устья с каждым витком спирали).

Предоставляя биофизическое объяснение формирования этого орнамента, теоретический подход объясняет разнообразие внутри видов и между ними. Это открывает новые перспективы для изучения морфологической эволюции аммонитов, которая, по-видимому, в значительной степени управляется механическими и геометрическими ограничениями.

Модель также проливает свет на старую загадку. Почти 200 миллионов лет раковины наутилусов оставались в основном гладкими и лишёнными орнамента. Модель показывает, что сохранение этой формы не означает, что наутилусы — ошибочно называемые «живыми ископаемыми» — не эволюционировали. Это связано с высокой скоростью расширения их раковины, что приводит к формированию гладких, трудноразличимых раковин.

В более широком смысле, эта работа подчёркивает ценность изучения физических основ биологического развития: понимание «правил построения», лежащих в основе морфологического разнообразия организмов, позволяет частично предсказать, как их форма будет эволюционировать.