En una piscina universitaria, los científicos y sus cámaras subacuáticas observan atentamente cómo se libera un caparazón enrollado de un par de pinzas de metal. El caparazón comienza a moverse por sus propios medios, dando a los investigadores una idea de cómo podrían haber sido los océanos hace millones de años cuando estaban llenos de estos omnipresentes animales.
Esto no es Jurassic Park, pero es un esfuerzo por aprender sobre la vida antigua al recrearla. En este caso, las recreaciones son robots impresos en 3D diseñados para replicar la forma y el movimiento de los amonites, animales marinos que precedieron y fueron contemporáneos de los dinosaurios.
Las amonitas robóticas permitieron a los investigadores explorar preguntas sobre cómo las formas de las conchas afectaban la capacidad de nadar. Encontraron compensaciones entre la estabilidad en el agua y la maniobrabilidad, lo que sugiere que la evolución de los proyectiles de amonita exploró diferentes diseños para obtener diferentes ventajas en lugar de converger hacia un mejor diseño único.
«Estos resultados reiteran que no existe una única forma de capa óptima», dice David Peterman, becario postdoctoral en el Departamento de Geología y Geofísica de la Universidad de Utah.
El estudio se publica en Informes científicos y apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
Dando vida a los ammonites
Durante años, Peterman y Kathleen Ritterbush, profesora asistente de geología y geofísica, han estado explorando la hidrodinámica, o la física del movimiento a través del agua, de los antiguos cefalópodos con caparazón, incluidas las amonitas. Los cefalópodos de hoy incluyen pulpos y calamares, y solo un grupo luce un caparazón externo: los nautilos.
Antes de la era actual, los cefalópodos con caparazones estaban por todas partes. Aunque sus rígidos caparazones enrollados habrían afectado su libre movimiento a través del agua, tuvieron un éxito evolutivo fenomenal, persistiendo durante cientos de millones de años y sobreviviendo a cada extinción masiva.
«Estas propiedades los convierten en excelentes herramientas para estudiar la biomecánica evolutiva», dice Peterman, «la historia de cómo los moluscos bénticos (que habitan en el fondo) se convirtieron en uno de los grupos más complejos y móviles de invertebrados marinos. Mi objetivo de investigación más amplio es proporcionar una mejor comprensión de estos enigmáticos animales, sus funciones en el ecosistema y los procesos evolutivos que les han dado forma».
Peterman y Ritterbush construyeron previamente modelos ponderados en 3D de tamaño real de caparazones de cefalópodos en forma de cono y descubrieron, al liberarlos en estanques, que los animales antiguos probablemente vivían una vida vertical, subiendo y bajando a través de la columna de agua para encontrar comida. Los movimientos de estos modelos se regían únicamente por la flotabilidad y la hidrodinámica del caparazón.
Pero Peterman siempre ha querido construir modelos más parecidos a los animales vivos.
«He querido construir robots desde que desarrollé las primeras técnicas para replicar las propiedades hidrostáticas en modelos físicos, y Kathleen también me animó mucho», dice Peterman. «La propulsión a bordo nos permite explorar nuevas preguntas sobre las limitaciones físicas en los hábitos de vida de estos animales».
La flotabilidad se convirtió en el principal desafío de Peterman. Necesitaba que los modelos tuvieran una flotabilidad neutra, ni flotando ni hundiéndose. También necesitaba que los modelos fueran herméticos, tanto para proteger los componentes electrónicos del interior como para evitar que las fugas de agua cambiaran el delicado equilibrio de flotabilidad.
Pero el trabajo extra vale la pena. «Se pueden investigar nuevas preguntas utilizando estas técnicas», dice Peterman, «incluidas las complejas dinámicas de chorro, la eficiencia de navegación y la maniobrabilidad 3-D de formas de proyectiles particulares».
Tres tipos de conchas
Los investigadores probaron amonitas robóticas con tres formas de caparazón. Se basan parcialmente en el caparazón de un Nautilus moderno y se modifican para representar la gama de formas de caparazón de los ammonites antiguos. El modelo llamado serpenticone tenía verticilos apretados y un caparazón estrecho, mientras que el modelo sphaerocone tenía pocos verticilos gruesos y un caparazón ancho, casi esférico. El tercer modelo, el oxicono, estaba en algún lugar en el medio: gruesos verticilos y un caparazón estrecho y aerodinámico. Puede pensar en ellos ocupando un diagrama triangular, representando «miembros finales» de diferentes características de caparazón.
«Cada cefalópodo planispiral que ha existido alguna vez se ubica en algún lugar de este diagrama», dice Peterman, lo que permite estimar las propiedades de las formas intermedias.
Una vez que se construyeron, montaron y pesaron los modelos impresos en 3D, llegó el momento de ir a la piscina. Trabajando primero en el grupo de la profesora de Geología y Geofísica Brenda Bowen y luego en la Laguna Carmesí de la U, Peterman y Ritterbush instalaron cámaras y luces bajo el agua y liberaron los amonites robóticos, rastreando su posición en el espacio tridimensional a lo largo de una docena de «carreras». para cada tipo de concha.
Sin forma de concha perfecta
Al analizar los datos de los experimentos de la piscina, los investigadores buscaban los pros y los contras asociados con cada característica de la concha.
«Esperábamos que hubiera varias ventajas y consecuencias para cualquier forma en particular», dice Peterman. «La evolución les otorgó un modo de locomoción muy singular después de liberarlos del lecho marino con una concha llena de gas con cámara. Estos animales son esencialmente submarinos de cuerpo rígido propulsados por chorros de agua». Ese caparazón no es muy bueno para la velocidad o la maniobrabilidad, dice, pero los cefalópodos de caparazón enrollado aún lograron una diversidad notable a través de cada extinción masiva.
«A lo largo de su evolución, los cefalópodos con caparazón externo superaron sus limitaciones físicas experimentando sin cesar con variaciones en la forma de sus caparazones enrollados», dice Peterman.
Entonces, ¿qué forma de concha fue la mejor?
«La idea de que una forma es mejor que otra no tiene sentido sin hacer la pregunta: ‘¿mejor en qué?'», dice Peterman. Los proyectiles más estrechos disfrutaron de menos resistencia y más estabilidad mientras viajaban en una dirección, mejorando su eficiencia de lanzamiento. Pero las capas más anchas y esféricas podrían cambiar de dirección más fácilmente, girando sobre un eje. Esta maniobrabilidad puede haberlos ayudado a atrapar presas o evitar depredadores lentos (como otros cefalópodos con caparazón).
Peterman señala que algunas interpretaciones consideran que muchas conchas de ammonites son hidrodinámicamente «inferiores» a otras, lo que limita demasiado su movimiento.
«Nuestros experimentos, junto con el trabajo de colegas en nuestro laboratorio, demuestran que los diseños de caparazones tradicionalmente interpretados como hidrodinámicamente ‘inferiores’ pueden haber tenido algunas desventajas, pero no son derivadores inmóviles», dice Peterman. «Para los cefalópodos con caparazón externo, la velocidad ciertamente no es la única medida de rendimiento». Casi todas las variaciones en el diseño de la concha aparecen iterativamente en algún punto del registro fósil, dice, lo que demuestra que las diferentes formas otorgan diferentes ventajas.
«La selección natural es un proceso dinámico, que cambia a lo largo del tiempo e involucra numerosas compensaciones funcionales y otras limitaciones», dice, «los cefalópodos con caparazón externo son objetivos perfectos para estudiar esta dinámica compleja debido a su enorme rango temporal, importancia ecológica, abundancia y altas tasas evolutivas».
