Forscher entdecken, wie Gelee-Meeresbewohner die moderne Robotik beeinflussen könnten

Wissenschaftler der University of Oregon haben herausgefunden, dass Kolonien gallertartiger Meerestiere in riesigen Korkenzieherformen durch den Ozean schwimmen und dabei einen koordinierten Strahlantrieb nutzen, eine ungewöhnliche Art der Fortbewegung, die neue Designs für effiziente Unterwasserfahrzeuge inspirieren könnte.

Bei der Forschung handelt es sich um Salpen, kleine Lebewesen, die wie Quallen aussehen und eine nächtliche Reise aus den Tiefen des Ozeans an die Oberfläche unternehmen. Die Beobachtung dieser Wanderung mit speziellen Kameras half UO-Forschern und ihren Kollegen dabei, das anmutige, koordinierte Schwimmverhalten des Makroplanktons einzufangen.

„Die größte Migration auf dem Planeten findet jede Nacht statt: die vertikale Wanderung planktonischer Organismen aus der Tiefsee an die Oberfläche“, sagte Kelly Sutherland, außerordentliche Professorin für Biologie am Oregon Institute of Marine Biology der UO, die die Forschung leitete. „Sie laufen jeden Tag einen Marathon und nutzen dabei neuartige Strömungsmechaniken. Diese Organismen können als Inspirationsplattform für den Bau von Robotern dienen, die die Tiefsee effizient durchqueren.“

Die Ergebnisse der Forscher wurden am 15. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. Die Studie umfasste Kooperationen mit dem Louisiana Universities Marine Consortium, der University of South Florida, der Roger Williams University, dem Marine Biological Laboratory und dem Providence College.

Obwohl sie Quallen ähneln, handelt es sich bei Salpen um fassförmiges, wässriges Makroplankton, das eher mit Wirbeltieren wie Fischen und Menschen verwandt ist, sagte Alejandro Damian-Serrano, außerordentlicher Professor für Biologie an der UO. Sie leben weit weg von der Küste und können entweder als Einzelgänger oder in Kolonien leben, sagte er. Kolonien bestehen aus Hunderten von Individuen, die in Ketten verbunden sind, die bis zu mehreren Metern lang sein können.

„Salpen sind wirklich seltsame Tiere“, sagte Damian-Serrano. „Während ihr gemeinsamer Vorfahre mit uns wahrscheinlich wie ein kleiner Fisch ohne Gräten aussah, verlor ihre Abstammungslinie viele dieser Merkmale und verstärkte andere. Die Einzelgänger verhalten sich wie dieses Mutterschiff, das ungeschlechtlich eine Kette einzelner Klone hervorbringt, die zusammengefügt werden, um eine Kolonie zu bilden.“ „

Doch das Einzigartigste an diesen Meereslebewesen wurde bei den Ozeanexpeditionen der Forscher entdeckt: ihre Schwimmtechniken.

Sutherland und ihr Team erkundeten die Küste von Kailua-Kona auf Hawaii und entwickelten spezielle 3D-Kamerasysteme, um ihr Labor unter Wasser zu bringen. Sie führten tagsüber Tauchgänge durch, „eingetaucht in unendliches Blau“, wie Damian-Serrano es beschrieb, um Untersuchungen bei hoher Sichtbarkeit durchzuführen.

Sie führten auch Nachttauchgänge durch, bei denen der schwarze Hintergrund eine kontrastreiche Abbildung der transparenten Lebewesen ermöglichte. Sie stießen auf eine gewaltige Flut verschiedener Salpen, die ihre nächtliche Wanderung an die Oberfläche machten – und auf viele Haie, Tintenfische und Krebstiere, die Fotos machten, bemerkte Sutherland.

Durch Bildgebung und Aufzeichnungen stellten die Forscher zwei Schwimmarten fest. Während sich kürzere Kolonien wie ein spiralförmiger Fußball um eine Achse drehten, knickten und rollten längere Ketten wie ein Korkenzieher. Das nennt man Spiralschwimmen.

Spiralschwimmen sei in der Biologie nichts Neues, sagte Sutherland. Auch viele Mikroorganismen drehen und drehen sich durch Wasser, aber die Mechanismen hinter der Bewegung der Salpen sind unterschiedlich. Mikroben schlagen Wasser mit haarähnlichen Vorsprüngen oder Schwanzpeitschen, aber Salpen schwimmen per Strahlantrieb, sagte Sutherland. Sie haben sich zusammenziehende Muskelbänder, wie die im menschlichen Hals, die Wasser pumpen, das von einer Seite des Körpers angesaugt und am anderen Ende herausgespritzt wird, um Schub zu erzeugen, sagte Damian-Serrano.

Den Forschern fiel auch auf, dass sich einzelne Strahlen zu unterschiedlichen Zeiten zusammenzogen, was dazu führte, dass die gesamte Kolonie ohne Pause gleichmäßig weiterzog. Die Düsen waren auch abgewinkelt und trugen zum Drehen und Spulenschwimmen bei, sagte Sutherland.

„Meine erste Reaktion war wirklich voller Staunen und Ehrfurcht“, sagte sie. „Ich würde ihre Bewegung als schlangenartig und anmutig beschreiben. Sie bestehen aus mehreren Einheiten, die zu unterschiedlichen Zeiten pulsieren, wodurch eine ganze Kette entsteht, die sich sehr sanft bewegt. Es ist eine wirklich schöne Art, sich zu bewegen.“

Von mikrobiellen Schwimmern inspirierte Mikroroboter existieren bereits, sagte Sutherland, aber diese Entdeckung ebnet Ingenieuren den Weg für den Bau größerer Unterwasserfahrzeuge. Es könnte möglich sein, Roboter zu schaffen, die lautlos und weniger turbulent sind, wenn sie diesen effizienten Schwimmern nachempfunden werden, sagte Damian-Serrano. Ein Multijet-Design könnte auch energetisch vorteilhaft sein, um Kraftstoff zu sparen, sagte er.

Über Mikroben hinaus müssen größere Organismen wie Plankton noch auf diese Weise beschrieben werden, sagte Sutherland. Mit Sutherlands neuen und innovativen Methoden zur Untersuchung von Meereslebewesen könnten Wissenschaftler erkennen, dass das Spiralschwimmen weit verbreiteter ist als bisher angenommen.

„Es ist eine Studie, die mehr Fragen aufwirft als Antworten liefert“, sagte Sutherland. „Es gibt diese neue Art des Schwimmens, die zuvor noch nicht beschrieben wurde, und als wir mit der Studie begannen, wollten wir erklären, wie sie funktioniert. Aber wir stellten fest, dass es noch viel mehr offene Fragen gibt, etwa welche Vorteile das Schwimmen auf diese Weise hat.“ ? Wie viele verschiedene Organismen drehen oder drehen sich?