Сложная конструкция раковин древних аммоноидей могла способствовать контролю плавучести

Аммоноидеи, предки современных осьминогов, кальмаров и каракатиц, плавали в океанах около 340 млн. лет, начиная с эпохи динозавров. Если посмотреть на ископаемые раковины аммоноидей за эти 340 млн. лет, то можно заметить нечто поразительное: с течением времени волнистые линии внутри раковины становятся все более и более сложными и в конце концов приобретают форму оборок, почти как у листьев капусты.

Эти волнистые линии называются швами, и они отражают сложность краев септ, или стенок, разделяющих камеры в раковинах аммоноидей. Ранее исследователи делали акцент на роли этих сложных структур в сопротивлении давлению на раковину, но ученые Университета Юты приводят доказательства в пользу другой гипотезы. Оказалось, что сложные швы удерживают больше жидкости за счет поверхностного натяжения, что, возможно, помогает аммоноидеям регулировать свою плавучесть. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Ископаемый аммонит с компьютерной 3D-реконструкцией, демонстрирующей внутреннюю и внешнюю морфологию. Credit: David Peterman

Из-за досадного отсутствия живых аммоноидей исследователям пришлось прибегнуть к другому методу, чтобы понять функцию структуры оболочки: 3-D печатные модели.

«Проверка этих гипотез была невозможна без создания невероятно точных моделей этих сложных структур», — говорит Дэвид Питерман, ведущий автор исследования и постдокторант кафедры геологии и геофизики. «Напечатанные 3-D модели позволяют изготовить невероятно сложные стенки камер, детали которых сопоставимы с живыми животными».

Возрастающая сложность

Хотя аммоноидеи давно вымерли, мы можем посмотреть на их дальнего живого родственника — камерного наутилуса, чтобы понять, как устроены их раковины.

Если посмотреть на поперечный срез раковины наутилуса, то можно увидеть, что раковина разделена на камеры, каждая из которых разделена чашеобразными перегородками — септами. Линии швов — это пересечения этих септ с внутренней стенкой раковины. «Самые ранние швы были, по сути, прямыми линиями у предков аммоноидей, таких как наутилоидеи, — говорит Петерман. И точно так же, как швы с течением эволюции у аммоноидей становились все более сложными и запутанными, септы имели более сложные и фракталоподобные края. «У некоторых видов, — говорит он, — швы были настолько сложными, что в месте соприкосновения септ с раковиной практически не оставалось свободного пространства».

Если у аммоноидей сложные швы и септы появились в результате эволюции, то они должны обеспечивать какое-то преимущество при выживании, не так ли? Большинство исследований аммоноидей посвящено гипотезе о том, что сложные септы придают раковине прочность. «Механическая функциональная интерпретация обычно связана с устойчивостью к нагрузкам, — говорит Петерман, — а более сложные перегородки действуют как контрфорсы».

Полуразрезанная раковина современного наутилуса (справа). 3D-принтер полуразрезанной раковины аммонита (слева). Модель камеры из настоящего исследования, вырезанная для демонстрации внутренней геометрии (вверху). Credit: David Peterman

Однако несколько исследований, по его словам, опровергли эту гипотезу. Альтернативная гипотеза заключается в том, что сложные поверхности септ могут изменять их поверхностное натяжение, позволяя большему количеству воды прилипать и улучшая заполнение камер раковины водой. Это важно, поскольку именно этот механизм аммоноидеи, вероятно, использовали для контроля своей плавучести во время роста, в ответ на изменение веса и, возможно, для вертикального перемещения.

Питерман, доцент Кэтлин Риттербуш и их коллеги решили проверить эту гипотезу. Но сначала им понадобились септы. По словам Петермана, камеры окаменевших аммоноидей обычно заполнены литифицированным илом или минералами, что требует другого подхода.

3-D печать прошлого

Используя виртуальное моделирование, исследователи разработали образцы перегородок различных размеров и разной степени сложности. Виртуальное моделирование, по словам Петермана, позволило изготовить и гипотетические поверхности. «Например, — говорит он, — один из самых сложных швов, взятый из раковины Menuites oralensis, был итеративно сглажен для изучения различий в сложности при сохранении относительного объема камеры и формы раковины».

Команда добавила к моделям покрытие из микродисперсной окисленной целлюлозы, чтобы помочь воде прилипнуть к поверхности. Аналогичное покрытие имеют раковины наутилусов. «Хотя наутилиды являются дальними родственниками аммоноидей, в некотором смысле они служат для нас наилучшим аналогом функций раковин аммоноидей», — говорит Петерман.

Виртуальная модель одной перегородки Menuites oralensis, использованная в данном исследовании для создания 3-D моделей. Credit: David Peterman

Экспериментальный процесс был относительно прост: взвесить каждую модель в сухом виде, окунуть ее в воду, повернуть, чтобы вытекла вода, удерживаемая силой тяжести, и снова взвесить, чтобы определить, сколько воды осталось, удерживаемой поверхностным натяжением.

Но результаты показали, что более сложные структуры удерживают больше воды. А более сложные складки были особенно эффективны для удержания воды в больших моделях. Полученные результаты позволяют предположить, говорит Петерман, что сложные поверхности перегородки могли способствовать более точному и активному контролю плавучести. Риттербуш добавляет, что они также могли обеспечивать лучшее равновесие, больший размер и внешние формы, способствующие скорости.

Аммоноидеи достигли пика сложности швов незадолго до своего вымирания, вместе с динозаврами, в конце мелового периода. Выжили только наутилиды с простыми швами, но, вероятно, помимо сложности швов, существовали и другие факторы, обеспечивающие их выживание.

Их исследование закладывает основу для дальнейшего изучения этой физиологической функции, а также ее связи с экологией аммоноидей. Развитие передовых вычислительных технологий и «умных» материалов в конечном итоге позволит «воскресить» эти загадочные существа с помощью действующих моделей.

«Хотя мы не сможем оживить этих животных, как динозавров в «Парке Юрского периода», — говорит Петерман, — компьютерное моделирование и эксперименты, подобные этим, наиболее близки к тому, чтобы вернуть к жизни этих экологически значимых головоногих моллюсков».

Ссылка: «Buoyancy control in ammonoid cephalopods refined by complex internal shell architecture» David J. Peterman, Kathleen A. Ritterbush, Charles N. Ciampaglio, Erynn H. Johnson, Shinya Inoue, Tomoyuki Mikami and Thomas J. Linn, 13 апреля 2021 г., Scientific Reports . DOI: 10.1038/s41598-021-87379-5