Roboter-Ammoniten bilden die Bewegungen uralter Tiere nach

In einem Universitätsschwimmbad beobachten Wissenschaftler mit ihren Unterwasserkameras genau, wie eine aufgerollte Muschel von einer Metallzange gelöst wird. Die Muschel beginnt sich aus eigener Kraft zu bewegen und gibt den Forschern einen Einblick, wie die Ozeane vor Millionen von Jahren ausgesehen haben könnten, als sie voll von diesen allgegenwärtigen Tieren waren.

Dies ist nicht Jurassic Park, aber es ist ein Versuch, etwas über das alte Leben zu lernen, indem man es nachbildet. In diesem Fall handelt es sich bei den Nachbildungen um 3D-gedruckte Roboter, die die Form und Bewegung von Ammoniten nachbilden sollen, Meerestieren, die sowohl den Dinosauriern vorausgingen als auch gleichzeitig mit ihnen waren.

Die Roboter-Ammoniten ermöglichten es den Forschern, Fragen zu untersuchen, wie sich Muschelformen auf die Schwimmfähigkeit auswirken. Sie fanden Kompromisse zwischen Stabilität im Wasser und Manövrierfähigkeit, was darauf hindeutet, dass die Entwicklung von Ammonitenschalen unterschiedliche Designs für unterschiedliche Vorteile untersucht hat, anstatt zu einem einzigen besten Design zu konvergieren.

„Diese Ergebnisse bekräftigen, dass es keine einzelne optimale Schalenform gibt“, sagt David Peterman, Postdoktorand am Institut für Geologie und Geophysik der Universität von Utah.

Die Studie ist erschienen in Wissenschaftliche Berichte.

Ammoniten zum Leben erwecken

Seit Jahren erforschen Peterman und Kathleen Ritterbush, Assistenzprofessorin für Geologie und Geophysik, die Hydrodynamik oder Physik der Bewegung durch das Wasser alter geschälter Kopffüßer, einschließlich Ammoniten. Zu den heutigen Kopffüßern gehören Tintenfische und Tintenfische, wobei nur eine Gruppe eine äußere Schale trägt – die Nautilusse.

Vor der heutigen Ära waren Kopffüßer mit Muscheln überall. Obwohl ihre starren, aufgerollten Schalen ihre freie Bewegung durch das Wasser beeinträchtigt hätten, waren sie evolutionär phänomenal erfolgreich, bestanden Hunderte von Millionen von Jahren und überlebten jedes Massensterben.

„Diese Eigenschaften machen sie zu hervorragenden Werkzeugen, um die evolutionäre Biomechanik zu untersuchen“, sagt Peterman, „die Geschichte, wie benthische (am Boden lebende) Mollusken zu einer der komplexesten und mobilsten Gruppen wirbelloser Meerestiere wurden. Mein umfassenderes Forschungsziel ist es, ein besseres Verständnis zu vermitteln dieser rätselhaften Tiere, ihre Rolle im Ökosystem und die evolutionären Prozesse, die sie geformt haben.“

Peterman und Ritterbush bauten zuvor lebensgroße gewichtete 3D-Modelle von kegelförmigen Kopffüßerschalen und fanden heraus, dass die alten Tiere wahrscheinlich ein vertikales Leben führten, indem sie auf der Suche nach Nahrung durch die Wassersäule auf und ab hüpften, indem sie sie in Becken freisetzten. Die Bewegungen dieser Modelle wurden ausschließlich durch den Auftrieb und die Hydrodynamik der Schale bestimmt.

Aber Peterman wollte schon immer Modelle bauen, die lebenden Tieren ähnlicher sind.

„Ich wollte Roboter bauen, seit ich die ersten Techniken entwickelt habe, um hydrostatische Eigenschaften in physikalischen Modellen zu replizieren, und Kathleen hat mich ebenfalls stark ermutigt“, sagt Peterman. „Der Bordantrieb ermöglicht es uns, neue Fragen zu den physischen Einschränkungen der Lebensgewohnheiten dieser Tiere zu untersuchen.“

Der Auftrieb wurde zu Petermans größter Herausforderung. Er wollte, dass die Modelle neutral schwimmfähig sind, weder schwimmen noch sinken. Er benötigte außerdem wasserdichte Modelle, um sowohl die Elektronik im Inneren zu schützen als auch zu verhindern, dass austretendes Wasser das empfindliche Gleichgewicht des Auftriebs verändert.

Aber die Mehrarbeit lohnt sich. „Mit diesen Techniken können neue Fragen untersucht werden“, sagt Peterman, „einschließlich komplexer Jetting-Dynamik, Ausrolleffizienz und der 3D-Manövrierbarkeit bestimmter Schalenformen.“

Drei Arten von Muscheln

Die Forscher testeten Roboter-Ammoniten mit drei Schalenformen. Sie basieren teilweise auf der Schale eines modernen Nautilus und wurden modifiziert, um die Bandbreite der Schalenformen der alten Ammoniten darzustellen. Das als Serpenticone bezeichnete Modell hatte enge Windungen und eine schmale Schale, während das Sphaerocone-Modell wenige dicke Windungen und eine breite, fast kugelförmige Schale hatte. Das dritte Modell, der Oxycone, lag irgendwo in der Mitte: dicke Windungen und ein schmaler, stromlinienförmiger Panzer. Sie können sich vorstellen, dass sie ein dreieckiges Diagramm einnehmen, das „Endmitglieder“ mit unterschiedlichen Schaleneigenschaften darstellt.

„Jeder planispirale Kopffüßer, der jemals existiert hat, ist irgendwo in diesem Diagramm dargestellt“, sagt Peterman und ermöglicht es, die Eigenschaften für Zwischenformen abzuschätzen.

Nachdem die 3D-gedruckten Modelle gebaut, montiert und gewogen waren, war es Zeit, in den Pool zu gehen. Peterman und Ritterbush arbeiteten zuerst im Pool der Geologie- und Geophysik-Professorin Brenda Bowen und später in der Crimson Lagoon der USA, stellten Kameras und Lichter unter Wasser auf und ließen die robotischen Ammoniten frei, wobei sie ihre Position im 3D-Raum über jeweils etwa ein Dutzend „Läufe“ verfolgten Shell-Typ.

Keine perfekte Schalenform

Durch die Analyse der Daten aus den Pool-Experimenten suchten die Forscher nach den Vor- und Nachteilen, die mit jeder Schaleneigenschaft verbunden sind.

„Wir haben erwartet, dass es verschiedene Vorteile und Konsequenzen für bestimmte Formen gibt“, sagt Peterman. „Die Evolution hat ihnen eine sehr einzigartige Art der Fortbewegung zuteil werden lassen, nachdem sie mit einer gasgefüllten Muschel vom Meeresboden befreit wurden. Diese Tiere sind im Wesentlichen U-Boote mit starrem Körper, die von Wasserstrahlen angetrieben werden.“ Diese Schale ist nicht gut für Geschwindigkeit oder Manövrierfähigkeit, sagt er, aber Kopffüßer mit gewickelter Schale haben bei jedem Massensterben immer noch eine bemerkenswerte Vielfalt bewältigt.

„Während ihrer gesamten Evolution überwanden Kopffüßer mit äußerer Schale ihre physischen Grenzen, indem sie endlos mit Variationen der Form ihrer aufgerollten Schalen experimentierten“, sagt Peterman.

Also, welche Schalenform war die beste?

„Die Vorstellung, dass eine Form besser ist als eine andere, ist bedeutungslos, ohne sich die Frage zu stellen – ‚besser in was?’“, sagt Peterman. Schmalere Schalen genossen weniger Luftwiderstand und mehr Stabilität beim Fahren in eine Richtung, wodurch ihre Strahleffizienz verbessert wurde. Aber breitere, kugelförmigere Schalen könnten leichter die Richtung ändern und sich um eine Achse drehen. Diese Manövrierfähigkeit hat ihnen möglicherweise geholfen, Beute zu fangen oder langsamen Raubtieren (wie anderen geschälten Kopffüßern) auszuweichen.

Peterman merkt an, dass einige Interpretationen viele Ammonitenschalen als hydrodynamisch „unterlegen“ gegenüber anderen betrachten und ihre Bewegung zu stark einschränken.

„Unsere Experimente zeigen zusammen mit der Arbeit von Kollegen in unserem Labor, dass Schalendesigns, die traditionell als hydrodynamisch ‚minderwertig‘ interpretiert werden, einige Nachteile hatten, aber keine unbeweglichen Drifter sind“, sagt Peterman. „Für extern geschälte Kopffüßer ist Geschwindigkeit sicherlich nicht der einzige Leistungsmaßstab.“ Nahezu jede Variation des Schalendesigns taucht iterativ irgendwann im Fossilienbestand auf, sagt er, und zeigt, dass unterschiedliche Formen unterschiedliche Vorteile mit sich bringen.

„Die natürliche Selektion ist ein dynamischer Prozess, der sich im Laufe der Zeit verändert und zahlreiche funktionale Kompromisse und andere Einschränkungen beinhaltet“, sagt er hohe Evolutionsraten.“