De opmerkelijke structurele eigenschappen van de Venus-bloemenmandspons (E. aspergillum) lijken misschien vademen verwijderd van door mensen gemaakte structuren. Echter, inzichten in hoe het rooster van gaten en richels van het organisme de hydrodynamica van zeewater in zijn omgeving beïnvloedt, zou kunnen leiden tot geavanceerde ontwerpen voor gebouwen, bruggen, scheepsvoertuigen en vliegtuigen, en alles wat veilig moet reageren op krachten die worden opgelegd door de stroming van lucht of water.

Terwijl eerder onderzoek de structuur van de spons heeft onderzocht, er zijn weinig studies gedaan naar de hydrodynamische velden die het organisme omringen en binnendringen, en of, naast het verbeteren van de mechanische eigenschappen, de skeletmotieven van E. Aspergillum liggen ten grondslag aan de optimalisatie van de stromingsfysica binnen en buiten de lichaamsholte.

Een samenwerking over drie continenten aan de grenzen van de natuurkunde, biologie, en engineering onder leiding van Giacomo Falcucci (van de Tor Vergata University of Rome en Harvard University), in samenwerking met Sauro Succi (Italiaans Instituut voor Technologie) en Maurizio Porfiri (Tandon School of Engineering, New York University) paste supercomputerkracht en speciale software toe om een ​​dieper inzicht te krijgen in deze interacties, het creëren van een allereerste simulatie van de diepzeespons en hoe deze reageert op en de stroming van nabijgelegen water beïnvloedt.

Het werk, "Extreme stromingssimulaties onthullen skeletaanpassingen van diepzeesponzen, " gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , onthulde een diepgaand verband tussen de structuur en functie van de spons, licht werpend op zowel het vermogen van de mandspons om de dynamische krachten van de omringende oceaan te weerstaan ​​als zijn vermogen om een ​​voedselrijke vortex te creëren in de "mand" van de lichaamsholte.

"Dit organisme is veel bestudeerd vanuit mechanisch oogpunt vanwege zijn verbazingwekkende vermogen om aanzienlijk te vervormen ondanks zijn broze, pergamijn structuur, " zei eerste auteur Giacomo Falcucci van de Tor Vergata Universiteit van Rome en Harvard University. "We waren in staat om aspecten van hydrodynamica te onderzoeken om te begrijpen hoe de geometrie van de spons een functionele reactie biedt op vloeistof, om iets speciaals te produceren met betrekking tot interactie met water."

"Door de vloeistofstroom binnen en buiten de lichaamsholte van de spons te onderzoeken, we hebben de voetafdrukken blootgelegd van een verwachte aanpassing aan de omgeving. Niet alleen draagt ​​de structuur van de spons bij aan een verminderde weerstand, maar het vergemakkelijkt ook de creatie van wervelingen met lage snelheid in de lichaamsholte die worden gebruikt voor voeding en voortplanting", voegde Porfiri eraan toe, een co-auteur van de studie.

De structuur van E. Aspergillum, gereproduceerd door co-auteur Pierluigi Fanelli, van de Universiteit van Tuscia, Italië, lijkt op een delicate glazen vaas in de vorm van een dunwandige, cilindrische buis met een groot centraal atrium, kiezelhoudende kruiden - vandaar hun veelgebruikte benaming, "glazen sponzen." De spicules zijn samengesteld uit drie loodrechte stralen, geeft ze zes punten. De microscopisch kleine spicules "weven" samen om een ​​zeer fijn gaas te vormen, die het lichaam van de spons een stijfheid geeft die niet wordt gevonden in andere sponssoorten en waardoor het kan overleven op grote diepten in de waterkolom.

Om te begrijpen hoe Venus-bloemmandsponzen dit doen, het team maakte uitgebreid gebruik van de Marconi100 exascale-klasse computer in het CINECA high-performance computercentrum in Italië, die in staat is uitgebreide simulaties te maken met behulp van miljarden dynamische, temporospatiale gegevenspunten in drie dimensies.

De onderzoekers maakten ook gebruik van speciale software die is ontwikkeld door co-auteur Giorgio Amati, van SCAI (Super Computing Applications and Innovation) bij CINECA, Italië. De software maakte supercomputersimulaties mogelijk op basis van Lattice Boltzmann-methoden, een klasse van computationele vloeistofdynamicamethoden voor complexe systemen die vloeistof voorstellen als een verzameling deeltjes en het gedrag van elk van hen volgt.

De in-silico experimenten, met ongeveer 100 miljard virtuele deeltjes, reproduceerde de hydrodynamische omstandigheden op de diepzeebodem waar E. Aspergillum leeft. Resultaten verwerkt door Vesselin K. Krastev aan de Tor Vergata Universiteit van Rome stelden het team in staat om te onderzoeken hoe de organisatie van gaten en richels in de spons het vermogen verbetert om de krachten te verminderen die worden uitgeoefend door bewegend zeewater (een mechanische technische vraag geformuleerd door Falcucci en Succi) , en hoe de structuur de stromingsdynamiek in de lichaamsholte van de spons beïnvloedt om selectieve filtervoeding en gametenontmoeting voor seksuele reproductie te optimaliseren (een biologische vraag geformuleerd door Porfiri en een bioloog-expert op het gebied van ecologische aanpassingen bij waterdieren, co-auteur Giovanni Polverino van het Centre for Evolutionary Biology aan de University of Western Australia, Perth).

"Dit werk is een voorbeeldige toepassing van discrete vloeistofdynamica in het algemeen en de Lattice Boltzmann-methode, vooral, " zei co-auteur Sauro Succi van het Italian Institute of Technology en Harvard University. Sauro Succi wordt internationaal erkend als een van de grondleggers van de Lattice Boltzmann-methode. "De nauwkeurigheid van de methode, in combinatie met toegang tot een van de beste supercomputers ter wereld maakten het ons mogelijk om nooit eerder geprobeerde berekeningen uit te voeren, die licht werpen op de rol van vloeistofstromen bij de aanpassing van levende organismen in de afgrond."

"Ons onderzoek naar de rol van de sponsgeometrie bij zijn reactie op de vloeistofstroom, heeft veel gevolgen voor het ontwerp van hoogbouw of, Echt, elke mechanische structuur, van wolkenkrabbers tot nieuwe constructies met lage weerstand voor schepen, of rompen van vliegtuigen, "zei Falcucci. "Bijvoorbeeld, zal er minder luchtweerstand zijn op hoogbouw die is gebouwd met een soortgelijk rasterwerk van richels en gaten? Zal het de verdeling van de uitgeoefende krachten optimaliseren? Het beantwoorden van deze vragen is een belangrijke doelstelling van het team."