假如穿越时空回到 5 亿年前的 Ediacaran 时期，你会发现海洋中到处都是被古生物学家称为“Ediacaran 生物群”的奇怪生物。它们是世界上第一个大型、复杂的多细胞生命体。关于这些古老生物，我们还有很多需要了解，包括它们是否能够移动以及它们如何进食。为了找到这些问题的答案，一个研究团队通过 CFD 仿真研究了地球早期海洋中一种已灭绝的生物：Parvancorina。
Ediacaran 时期之谜
大约 6.35 亿到 5.41 亿年前的 Ediacaran 时期的生命到底是什么样的呢？通常，科学家们认为这个时期的海栖生物几乎都是静止的，并且永久地附着在海底。这种假设有时被用来描述 Ediacaran 时期的Parvancorina种群，它们是一种生活在 5.55 亿年前的 Ediacaran 生物群中更为奇特的 “典型”。
如果Parvancorina今天还活着，你可以将它的整个盾形身体（大约有一个硬币大小）放置在你的手指尖上。仔细观察后，你会看到它的背部有一组独特的脊，形成了一个类似于锚的形状或 T 形。
Parvancorina 的图像。
尽管在俄罗斯和南澳大利亚的岩石中保存了许多Parvancorina化石，但这种简单的生物体没有留下任何关于它是否移动或如何进食的线索。解开这些谜团是确定Parvancorina的进化和生态重要性的关键一步。
Parvancorina minchami（左）。图片由 Matteo De Stefano/MUSE，科学博物馆提供。一块Parvancorina化石（右）。图像通过Wikimedia Commons获得许可（CC BY-SA 3.0），在公有领域共享。
为了找到上述问题的答案，范德堡大学、牛津大学自然历史博物馆、洛杉矶县自然历史博物馆和多伦多大学密西沙加分校的一个研究团队选择了 CFD 仿真进行探索。
借助 COMSOL Multiphysics®软件，这些研究人员能够深入了解古代Parvancorina的生活。研究团队的成员之一 Simon AF Darroch 博士表示，这是“最奇怪、最不为人知的 Ediacaran ……生物之一”。他详细阐述了这项研究，说：“CFD 仿真提供了唯一合理的方法来测试关于 Ediacaran 进食和运动的假设。”
使用 CFD 仿真分析已灭绝生物的行为
根据对化石标本的观察，研究人员创建了Parvancorina的三维 CAD 模型，并轻松地将这些模型导入 COMSOL®软件。这些模型包括Parvancorina身体的盾形底部的空模型，以及三种不同形态的完整模型:
- 来自南澳大利亚的Parvancorina minchami
- 来自俄罗斯的Parvancorina minchami
- 来自俄罗斯的Parvancorina sagitta
团队创建的 Parvancorina 模型几何形状和 CFD 仿真示例。图片版权©归 Imran A. Rahman 博士所有。
该团队使用 COMSOL Multiphysics，模拟了Parvancorina的家园——浅海环境的典型水流，并查看它的结构如何影响它与该环境的相互作用。在他们的模拟中，研究人员对各种入口速度、模型方向和网格尺寸进行了测试。
大多数 Ediacaran 生物，例如 Parvancorina，似乎更喜欢生活在浅层环境中，而不是像上图那样的深海环境。
研究团队的另一名成员 Imran A. Rahman 博士指出，COMSOL Multiphysics 是 “一个非常友好的程序，能够模拟我们感兴趣的、非常复杂的三维形状（即化石）周围的流体流动。” 使用 COMSOL 软件，他们还能够生成高质量的流速和流线图，从而轻松地将结果可视化。
Parvancorina可以移动吗？
为了确定Parvancorina是移动的还是静止的，研究人员使用 COMSOL Multiphysics 来计算Parvancorina模型所承受的阻力。结果表明，不同形态的Parvancorina在不同方向经历了不同大小的阻力。
由于阻力可能对生活在海底的生物造成伤害，有可能使它们脱落或受伤，因此如果Parvancorina有能力保持在某一个阻力最小的位置上，即需要根据浅水环境中不断变化的水流来调整自己的方向，那将大大有利于它的生存。
因此，CFD 仿真的结果很好的间接证明了Parvancorina在其生命周期中是可移动的。拥有一个能减少在某一方向上的水流阻力的身体形状，是生活在可变水流环境中移动生物的一个共同特征。
能够保持一个相对于水流方向的特定位置，可能在其他方面对Parvancorina有好处。该研究团队的研究表明，无论水的流速大小，Parvancorina的形态和在水中的方向如何变化，它表面的水流流动都不是均匀分布的 。相反，Parvancorina的外部形态导致再循环的水流被引向局部区域，而特定区域的变化取决于Parvancorina相对水流的方向。
Parvancorina身体上的再循环区。
这可能表明Parvancorina是一种滤食性动物，能够将悬浮在水中的有机物引导至它的进食结构。如果是这样的话，Parvancorina就必须与水流保持某种对准，以有效地将食物引导进其身体的正确区域。因此，与计算出的阻力一样，该结果也表明Parvancorina大大受益于它们在海底调整方向的能力。
2D 和 3D 流场图显示处于不同方向的Parvancorina在不同位置产生再循环区。当Parvancorina面对流动时，会导致在其身体锚状部分（顶行）的“手臂”后面形成两个再循环区。当迎面而来的水流垂直于中心的“柄”撞击时，主要再循环发生在Parvancorina身体的锚状部分的柄后面（中排）。最后，如果“臂”位于下游，再循环发生在Parvancorina的身体后面（底行）。2D 图像版权©归 Imran A. Rahman 博士所有。
Parvancorina独特的锚形脊给出了另一条线索，它告诉我们这种生物是一种滤食性动物。虽然这个脊没有减少阻力，而且很可能不是一个防御结构，但研究人员的仿真表明，它是有助于Parvancorina引导水流进行再循环的。没有脊的Parvancorina空模型不能引导再循环的水流过身体。这与我们对现存海洋无脊椎动物的了解相吻合。具有凹面朝向上游的特殊结构的生物通常都是被动的滤食性动物。这表明，这种结构可能为滤食性动物提供了一种共同的好处，例如影响流体流动和收集食物的能力。
该团队之前的研究表明，固定的滤食性动物 Ediacaran 需要在任何方向上都能引导身体的食物捕获区域（因为它们不能调整自己的方向）。由于有机物的流动仅以特定方向的水流定向到Parvancorina的假定食物捕获区域，因此它必须是可移动的，才能作为滤食者进行有效进食。Parvancorina也有可能以不同的方式进食，例如，通过消耗海底沉积物中的死有机物。关键是，如果Parvancorina以这两种方式中的任何一种喂食，它就必须是可移动的。
暂时解决Parvancorina行为之谜
基于他们广泛的 CFD 模拟，研究小组能够提供间接的证据，证明Parvancorina是可移动的，并且可能具有尚未在任何化石中发现的肌肉组织或附属物。如果这是正确的，这可能意味着Parvancorina是已知的最古老的具有趋流性能力的生物，即面向迎面而来的水流确定自身方向的行为。
这些发现与另一个研究小组进行的一项独立研究的结果一致，该 研究发现Parvancorina化石通常与水流对齐，并确定这代表了一种趋流性反应。
这项工作说明其他 Ediacaran 生物也可能具有可移动性，这为 Ediacaran 海底生态系统提供了一个新的观角。该团队计划在未来的项目中通过使用 COMSOL 软件研究其他 Ediacaran 生物来继续他们的调查。Darroch 指出：“CFD 研究为 Ediacaran 生物群的生物学和生态学提供了非同寻常的新视角，它代表了复杂生命的第一次（和最神秘的）辐射形进化。” 理解复杂生命从哪里来，以及它是如何产生的，取决于我们对 Ediacaran 类生物位置的理解”。
延伸阅读
- 阅读研究人员的原始论文和相关工作：
- 获取论文全文，“Inference of facultative mobility in the enigmatic Ediacaran organismParvancorina”
- 查看相关的Phys.org文章和The Conversation文章
- 看看该团队之前在 Tribrachidium（一种固定的 Ediacaran 时期的滤食性动物）上的工作 “Suspension feeding in the enigmatic Ediacaran organism Tribrachidium demonstrates complexity of Neoproterozoic ecosystems”
- 对仿真与自然交叉的其他方式感兴趣吗？请查看这些博客文章：
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