通过 CFD 仿真研究 5 亿年前的晚宴

2021年 5月 13日

2016年,一个来自世界各地的研究团队跋山涉水到位于非洲西南海岸的纳米比亚进行野外考察。那是一片有着广袤的沙漠景观和干燥空气的土地,栖居着各种野生动物,包括斑马、野马、猎豹和狮子等。但是该团队此行的目的是寻找其他更古老的生命体:Ediacaran 化石。

寻找 Ediacara 生物群

Ediacaran 时期的化石——”埃迪卡拉生物群”是世界上已知最早的大型多细胞生命体。这些生物中有许多是在 Ediacaran 时期(6.35 亿到 5.41 亿年前),即寒武纪大爆发之前的时期,生活在海底的底栖生物。

例如,ParvancorinaCharniaKimberellaDickinsonia 就属于 Ediacara 生物群。

Parvancorina 化石(左)和 Dickinsonia 化石(右)的图像
左图:Parvancorina 化石。图像已通过 Wikimedia Commons 共享(CC0 1.0 下)。右图:Dickinsonia 化石。图片已通过Wikimedia Commons获得许可(GNU 自由文档)。

通过研究这些古老生物的化石,并将它们与今天周围的动物化石进行比较),古生物学家可以了解它们生前的行为、运动和进食方式。了解了这些之后,古生物学家们可以确定这些生物在真核生物生命树上所处的最佳位置。

在纳米比亚的实地考察

2016 年在纳米比亚南部,一个来自加拿大、纳米比亚、美国和英国的全球研究小组发现了 Ernietta 种群——一种已知的最新的 Ediacaran 纪的神秘生物,并就地保存在海底化石上。2019 年他们在《科学进展》上发表了一篇论文,并分享了他们对这些化石的研究。

当回忆起这一发现时,该研究的主要作者 Brandt Gibson 说道:“通常在纳米比亚,我们发现的化石都是被迁移过的,即被洋流冲走后沉积在其他地方,所以我们无法了解它们究竟是如何生活的。然而,这次我们很确定它们是在生活的位置被保存下来的,而且我们发现的是一个原始的、未受干扰的种群。”

一块岩石上的 Ernietta 化石的照片,上面有一块木板用来缩放
保存完好的 Ernietta 化石的图像。图片来源:多伦多大学 Marc Laflamme。

根据发现的化石的位置,研究人员得出结论:这些固着生物生活在海底,一半埋在沉积物中。“Ernietta 身体柔软,并且没有坚硬的部分。在生活位置发现软体化石这个事情极为罕见,” Gibson 说道。

此外,这些化石是成群被发现的,这表明它们过得是有目标,有组织的群体生活。

Ernietta 种群的插图
Ernietta 种群的插图。图片由 Vanderbilt 大学提供。

在他们的研究中,该团队利用 COMSOL Multiphysics® 软件的计算流体力学(CFD)产品模拟分析了这些早期生命体的进食行为。许多生活在海洋中的现代动物已经进化出了复杂的身体形状,它们与流动的流体相互作用,来帮助它们进食;因此,CFD 仿真提供了一种研究和解释至今没有类似物的古代化石的方法。“仿真确实很有帮助,它使我们能够进行假设测试,观察我们无法用其他方式研究的形态,” Gibson 说道。

滤食作用与仿真

研究表明,大部分 Ediacara 生物群都是通过渗透作用或滤食作用来摄取营养的。一些生物通过渗透压被动地消耗有机物质,而滤食性动物则是利用水流、它们的结构和周围的群落来获取营养的。(牡蛎和水母就是一些典型的滤食性动物。)

根据对 Ernietta 化石的研究,研究人员推测这些生物主要通过滤食作用进食,因为滤食性动物通常生活在群落中。”在现代海洋中,滤食进食是一种广泛存在的、令人难以置信的重要动物行为。如果我们能够确定 Ernietta 确实是滤食性动物,那我们就更加相信许多其他 Ediacara 生物群也能够通过滤食作用进食,并且这些生物的存在表明,这些复杂的捕食行为的进化比我们想象的要早的多,” Gibson 介绍说。

首先,研究人员使用 CFD 仿真分析了一个单独的 Ernietta 生物体模型周围的流体流动。在个过程中,他们观察到 “无论埋藏深度、流速和相对于流动的方向如何,在生物体的中心腔内都存在着持续而强烈的再循环,如果 Ernietta 是一个滤食性动物的话,这是预料之中的事.” (参考文献1) 基于这些结果,研究人员得出结论:Ernietta 在其中心腔内获得了大部分的营养。

接下来,他们对生活在上游和下游的 Ernietta 模型的簇群和间隔较好的群落进行了受可变水流影响的研究。从这些模拟中,研究人员推断,这些集群通过协同工作来操纵水流,确保所有生物体都有足够的营养物质,并将废物从他们的群落中排出。Gibson说:“我们可以重建这些生物体在 5.5 亿年前如何相互影响的想法,对我们来说是一件令人震惊的事情。”

单个 Ernietta 模型(上)、间隔良好的 Ernietta 模型群(中)和成群的 Ernietta 模型群(下)的 CFD 仿真结果
CFD 仿真结果:单个 Ernietta模型(顶部)、间隔良好的 Ernietta 群落模型(中)、聚集的 Ernietta 群落模型(底部)的水平(左)和垂直(右)横截面。注意:所有模型都平行于具有中等埋藏深度的流动。此外,所有模拟均以 0.2m/s 的入口速度进行。版权所有 © BM Gibson 等人,来自他们的论文 “Gregarious suspension feeding in a modular Ediacaran organism”。

总的来说,这项工作表明 Ernietta 是生活在紧密 群体 中的滤食性动物。“对 Ediacaran 时期存活的各个生物群掌握的信息越多,我们对整个 Ediacaran 生物群的了解就越多。” 吉布森说道。

结束语

Gibson 指出,研究 Ernietta 等古代生物本质上是一项具有挑战性的工作。因此,他认为在分析此类生物时,必须与由不同专业领域的专家组成的研究团队合作。他还表示:“在这项研究中,我与工程师、理论流体力学专家以及多年来一直使用仿真和设计自己的湍流模型的人合作——我认为我们是一个更好的研究团队。”

延伸阅读

Reference

  1. B. M. Gibson et al., “Gregarious suspension feeding in a modular Ediacaran organism”, Science Advances, vol. 5, no. 6, 2019.

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鑫林 徐
鑫林 徐
2022-01-05

真是魔法般的案例

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