Новый взгляд на кинематику плавания диких зеленых морских черепах (Chelonia mydas)

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18151 (2022) Цитировать эту статью

2626 Доступов

1 Цитаты

11 Альтметрика

Подробности о метриках

С биомеханической точки зрения морских черепах можно воспринимать как океанских птиц, поскольку они скользят и взмахивают передними конечностями, создавая необходимые силы, необходимые для передвижения, что делает морских черепах интересным животным для изучения. Однако из-за того, что морские черепахи находятся под угрозой исчезновения, изучение биомеханики морских черепах становится сложной проблемой, которую необходимо решить как с технической, так и с этической точки зрения, не вызывая при этом беспокойства. В этой работе разрабатывается новая неинвазивная процедура для разработки полной трехмерной кинематики диких морских черепах путем съемки животных на Большом Барьерном рифе в Австралии с использованием подводных дронов, не беспокоя их. Мы обнаружили, что модели плавания диких животных сильно отличались от предыдущих исследований молоди в неволе. Наши результаты показывают, что ласт движется по замкнутой траектории с расширенным движением кончика ласта к центру панциря, создавая хлопающее движение. Мы назвали это «подметающим гребком», и в отличие от ранее описанных четырехэтапных моделей он создает пятиэтапную модель передвижения по циклическому плаванию. Представленная здесь модель может привести к лучшему пониманию методов движения морских черепах и их взаимодействия между жидкостью и структурой.

Локомоторная биомеханика морских черепах имеет сходство с птицами, поскольку они скользят и взмахивают передними конечностями, создавая необходимые силы, необходимые для передвижения. Фактически, в недавних исследованиях филогеномный анализ показал, что черепахи являются сестринской группой птиц1. Однако, в отличие от птиц, которым требуется создание подъемной силы, чтобы оставаться в воздухе, морские черепахи могут регулировать свою плавучесть, чтобы стать почти полностью нейтральной плавучестью2. Таким образом, создание подъемной силы не является полностью необходимым, поскольку их плавучей силы может быть достаточно. Было показано, что толчок вперед, создаваемый черепахами при плавании, почти полностью происходит во время плавания вниз с использованием их изогнутых ласт в форме крыла3,4. Ранее было описано, что движение вниз происходит в два раза быстрее, чем движение вверх, обычно создавая фигуру восьмерки3,4,5,6. Предыдущие исследования обычно показывали, что морские черепахи применяют угол атаки (АОА) своих грудных ласт3,4, чтобы животное могло создавать необходимые гидродинамические нагрузки для плавания. Однако это не совсем точно, поскольку ласты создают переменный угол обзора по размаху крыльев за счет поворота передней конечности.

Морские черепахи являются мигрирующими видами, преодолевающие расстояние в тысячи километров7,8,9. Наличие математического представления их плавательного движения во многом помогло бы ответить на вопрос, является ли стиль плавания морских черепах фактором их миграционного успеха. В предыдущих исследованиях применялись упрощенные двумерные модели стилей плавания, вдохновленных черепахами10,11,12. Однако гидродинамические характеристики, влияющие на движение, сильно зависят от кинематики13,14,15, что позволяет предположить, что, хотя исследования, проведенные на сегодняшний день, обеспечивают элементарный подход, помогающий описать механизм движения, они не содержат всех связанных с этим факторов. Различные исследования проиллюстрировали естественное передвижение морских черепах3,4,16,17,18,19,20. Однако в этих исследованиях часто собирались данные о молодых подростках, содержащихся в неволе, без описания закономерностей в математической форме. Таким образом, описание естественного плавания диких морских черепах до сих пор неизвестно, а также понимание того, отличается ли оно от молоди в неволе.

Разработка математической модели для описания естественного рисунка ласт черепах чрезвычайно сложна по нескольким причинам. Среди трудностей самая сложная проблема связана со сбором данных из их естественной среды обитания, чтобы гарантировать, что их окружение не приводит к аномальному способу плавания. Современные методы, такие как рентгеновская реконструкция движущейся морфологии (XROMM)21,22, требуют уникальной установки, которую было бы непрактично или невозможно установить в морской среде. Подобные методы не только непрактичны, но и получение одобрения по этике животных для помещения исчезающего вида в лабораторию для изучения его биомеханики создает дополнительные препятствия.