Достаточно увидеть лишь мельком проплывающих рыб, чтобы понять, какая из них самая быстрая. Тунец и макрель, например, должны опережать неторопливую рифовую рыбу и угрей. Но как различаются и формируются столь разные формы тел рыбы? Они формируются под воздействием гидродинамики или же по другим причинам? Увы, практически невозможно ответить на эти вопросы на примере реальной рыбы.

«Реальной рыбой очень трудно управлять. Вы не можете приказывать ей, как себя вести. Поэтому макрель всегда будет плавать только как макрель. – Объясняет инженер Фотис Сотиропулос. Потому он и обратился к компьютерной модели, ее гораздо проще адаптировать и приспособить.

«Модель позволяет исследовать такие формы поведения, которые нельзя наблюдать на примере реальной рыбы.» – Говорит Сотиропулос. Например, в природе нельзя поймать угря, научить его плавать как макрель и отправить на соревнование с макрелью, плавающей как макрель!

Интересно было узнать, на сколько сильно влияет гидродинамика на форму рыбы и на ее стиль плаванья. Так, Сотиропулос с коллегой Имэном Борэджени из университета Миннесоты решили устроить соревнование разных моделей в обширной параллельной компьютерной группе, чтобы выяснить, какое влияние оказывает водная среда на форму тела и стиль передвижения.

Построение компьютерной модели было не таким легким, как могло показаться.

«Эту работу мы начали более пяти лет назад, — говорит Сотиропулос, добавляя, что – это была большая проблема, потому что ранее мы никогда не моделировали кого-то живого».

Разработав алгоритм, дуэт ученых смог управлять частотами удара хвоста компьютерной рыбы, а также вязкостью жидкости вокруг нее. Это позволило увидеть, как плавает рыба в различных условиях.

Зачем изменяют вязкость жидкости в компьютерном водоеме? Борджэни объясняет это тем, что гидродинамические силы, выявленные на живом примере, изменяются очень сильно в зависимости от размера рыбы и ее скорости. Такие крошечные пловцы, как бактерии, испытывают сильное затруднение из-за вязкости, в то время как более быстрые и обладающие средними размерами угри получают еще более сильную инерцию из-за вязкости жидкости. Но если взять самого быстрого пловца, макрель, то эти рыбы и вовсе едва испытывают на себе влияние плотности воды. Их главная сила – инерция. Зная, что макрель и угри, плавающие в одном водоеме, испытывают различную силу гидродинамики, дуэт воссоздал эти различия с помощью изменения уровня вязкости.

Разрабатывая две модели макрели (ту, которая бьет хвостом как макрель и вторую, которая шевелит им как угорь) и две модели угря (который шевелит хвостом и который бьет им, как макрель), инженеры ставили рыбу на старт и наблюдали за тем, как она будет плыть.

Проведя анализ этой своеобразной гонки, ученые определили среднюю скорость и гидродинамические условия. По результатам эксперимента выяснилось, что нет разницы, как сформирована модель, как макрель или как угорь, победившая рыба всегда покачивала хвостом на манер угря. Но в гонке при условиях очень сильной гидродинамики побеждали модели, которые били хвостом как макрель, даже если это был «переделанный» угорь. Вывод один: живая макрель и угорь с их природными стилями передвижения отлично приспособлены к окружающей гидродинамической среде, в которой они живут.

Ученый дуэт также измерил коэффициент полезного действия рыбок. Компьютерная модель макрели оказалась наиболее эффективной в быстродействующих гидродинамических условия, в то время, как угорь оказался наиболее эффективен в средних по интенсивности гидродинамических условиях.

Наконец, ученые изучили структуру следа, который оставляла компьютерная модель, и поняли, что многие особенности их модели присущи и живой рыбе во время плаванья.

«Учитывая даже, что мы буквально разобрали рыбу, оставив лишь основную форму и лишив ее некоторой степени свободы, все равно физика была на нашей стороне в ходе проведения эксперимента.» — говорит Борджени.

Но что говорят нам эти результаты о влиянии водной среды на форму тела рыбы и ее стиль передвижения?

«Мы можем подытожить, что каждая специфическая форма и стиль плаванья абсолютно зависимы от гидродинамического режима, в котором живет рыба. Это весьма существенное свидетельство того, что прослеживается очень четкая связь между этими показателями.» — говорит Сотиропулос.

——

https://jeb.biologists.org/cgi/reprint/213/1/i?maxtoshow=&hits=20&RESULTFORMAT=&searchid=1&FIRSTINDEX=0&displaysectionid=Inside+JEB+Collection&resourcetype=HWCIT