Kijk in een getijdenpoel langs de kust en misschien zie je een zeester zich rustig aan een rots vastklampen. Maar die veilige volwassenheid gaat ten koste van een schrijnende larvenreis. Kleine zeesterrenlarven - elk kleiner dan een rijstkorrel - brengen 60 dagen en 60 nachten door met peddelen in de open oceaan, voeden om de energie te verzamelen die nodig is om te veranderen in de bekende stervorm.

Onderweg moeten de larven afwegingen maken tussen peddelen op zoek naar voedsel en uitgeput raken door de reis. Nu in een Natuurfysica paper heeft een team onder leiding van Stanford-bio-ingenieur Manu Prakash het mooie en efficiënte mechanisme onthuld waarmee deze nederige wezens kunnen overleven tot ze volwassen zijn.

"We hebben aangetoond dat de natuur deze larven uitrust om het water zo te roeren dat er draaikolken ontstaan ​​die twee evolutionaire doelen dienen:de organismen voortbewegen en tegelijkertijd voedsel dichtbij genoeg brengen om te grijpen, " zei Prakash, een assistent-professor bio-engineering en recente winnaar van een "geniale" beurs van de MacArthur Foundation.

Met behulp van experimentele technieken die de visuele schoonheid en wiskundige onderbouwing van dit mechanisme vastleggen, de onderzoekers laten zien hoe de vorm en vorm van zeesterlarven de functies mogelijk maken die nodig zijn om het leven te ondersteunen.

"Als we vreemde en mooie vormen in de natuur zien, brengen we ze terug naar het laboratorium en vragen we waarom ze op deze manier zijn geëvolueerd. "Zei Prakash. "Dat is het perspectief dat we naar de biologie brengen:wiskundig begrijpen hoe de natuurkunde het leven vormt."

Willem Gilpin, eerste auteur op het papier en een afgestudeerde student in het Prakash Lab, zei dat deze bevindingen licht werpen op vergelijkbare evolutionaire uitdagingen waarbij tientallen ongewervelde zeedieren betrokken zijn die op een belangrijke manier verwant zijn aan zeesterrenlarven.

"Evolutie probeert te voldoen aan basisbeperkingen, " zei Gilpin. "De eerste oplossing die heel vaak werkt, wint."

Complexe draaikolken

Deze experimenten begonnen in de zomer van 2015 op Stanford's Hopkins Marine Station in Pacific Grove, Californië. De onderzoekers volgden een cursus over embryologie toen ze zich begonnen af ​​te vragen wat de evolutionaire onderbouwing was van de vorm van de zeesterlarve - waarom zag het er uiteindelijk zo uit?

Deze nieuwsgierigheid terugbrengen naar het lab, de groep bestudeerde de organismen op een systematische manier, de larven voedende algen en hun bewegingen observeren met video-enabled microscopen.

"Ons eerste eureka-moment kwam toen we de complexe draaikolken rond deze dieren zagen stromen, " zei Vivek Prakash (geen familie), een postdoctoraal onderzoeker in bio-engineering en derde lid van het team. "Dit was mooi, onverwacht en heeft ons allemaal verslaafd gemaakt. We wilden weten hoe en waarom deze dieren deze complexe stromen maakten."

Gilpin zei dat de draaikolken raadselachtig waren omdat ze geen evolutionaire zin leken te hebben. Het kostte veel energie om spiraalvormige waterstromen te creëren; dus een larve met slechts drie imperatieven - voeden, bewegen en groeien - moest een reden hebben om zo'n inspanning te leveren.

Orkest van wimpers

Toen de onderzoekers erachter kwamen hoe de larven het water lieten wervelen, dat begrip leidde hen naar het waarom, en het experiment richtte zich op een van de meest voorkomende structuren van de evolutie, de trilhaartjes, van het Latijnse woord voor wimpers.

Stel je voor dat de trilhaartjes op een zeesterlarve lijken op de roeispanen die gebruikt zouden kunnen worden om een ​​oude kombuis te roeien - behalve dat elke larve er ongeveer 100 heeft, 000 roeiriemen, gerangschikt in wat onderzoekers ciliaire banden noemen die het organisme omgorden in een patroon dat veel complexer is dan de roeispanen van een galei.

De roeimetafoor verwijst naar de complexiteit die de onderzoekers ontdekten toen ze bestudeerden hoe deze 100, 000 wimpers peddelden de larve door het water.

zoals roeiriemen, de trilharen hadden drie mogelijke acties:vooruit, achteruit rijden en stoppen. En net als bij roeispanen, de trilharen bewogen in verschillende gesynchroniseerde patronen om verschillende bewegingen te creëren. Vermoedelijk georkestreerd door zijn zenuwstelsel, de larve verslaat zijn 100, 000 wimpers in bepaalde patronen wanneer het wil voeden, om het water zo rond te wervelen dat algen dichtbij genoeg komen om te grijpen. Vervolgens, met een ander gefladder van wimpers, de larve maakt een nieuw patroon van kransen en gaat er vandoor.

De onderzoekers realiseerden zich dat ze een actief en voorheen onbekend mechanisme observeerden dat de overlevingskansen van de larve verbeterde. De fysieke structuur van de zeesterlarve, beheerst door zijn zenuwen, stelt het in staat om compromissen tussen voer en snelheid te maken - blijven hangen wanneer algen in overvloed zijn, dan wegschieten als voedingsstoffen schaars worden.

Toen ze de implicaties van deze bevindingen overwoog, de onderzoekers veronderstelden dat dit feed-versus-speed-mechanisme waarschijnlijk van toepassing was op andere ongewervelde larven waarvan bekend is dat ze - hoewel ze anders zijn dan zeesterlarven in vorm - vergelijkbare ciliaire banden hebben. In toekomstige experimenten zijn de Stanford-onderzoekers van plan om dezelfde technieken te gebruiken om deze andere larvale vormen te bestuderen. Wat ze hopen te leren is hoe evolutie een bepaald mechanisme heeft aangenomen, de ciliaire band, en loste dezelfde feed-versus-speed trade-off op in tientallen verschillende vormen en vormen.

"Dat doen we in mijn lab, "Prakash zei, "zoek naar fundamentele principes die we in vergelijkingen kunnen uitdrukken om de schoonheid te beschrijven, diversiteit en functies van verschillende levensvormen."

Prakash is ook lid van Stanford Bio-X en Stanford ChEM-H en een filiaal van het Stanford Woods Institute for the Environment.