通过 CFD 仿真研究 5 亿年前的晚宴

2016年，一支由全球各地的研究人员组成的团队跋山涉水来到位于非洲西南海岸的纳米比亚进行野外考察。考察地周围是一望无际的沙漠和干燥的空气。尽管这里栖居着从斑马、野马、猎豹到狮子等各种野生动物，但是他们此行的目的是寻找其他更古老的生命体：埃迪卡拉（Ediacaran）化石。

寻找埃迪卡拉生物群

来自埃迪卡拉纪（Ediacaran Period）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。这些生物中大多数是埃迪卡拉纪（6.35 亿到 5.41 亿年前），也就是寒武纪大爆发之前的时期生活在海底的底栖生物。

埃迪卡拉生物群包括 Parvancorina、Charnia、Kimberella 和 Dickinsonia 等。

左图：Parvancorina 化石。图像通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC0 1.0 授权。右图：Dickinsonia 化石。图片通过 Wikimedia Commons共享，获 GNU Free Documentation License 许可发布。

通过研究这些古老生物的化石，并将它们与近代动物化石进行比较，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确切位置。

在纳米比亚的实地考察

2016 年，在纳米比亚南部，来自加拿大、纳米比亚、美国和英国的一个全球研究团队发现了 Ernietta 种群——一种来自最近的埃迪卡拉纪的、就地保存在海底化石上的神秘生物。2019 年他们在Science Advances上发表了一篇论文，分享了关于这些化石的研究。

在回顾这一发现时，该研究的主要作者 Brandt Gibson 说：“通常在纳米比亚，我们发现的化石都是被迁移过的，即被洋流冲走并沉积在其他地方，这使我们无法了解它们究竟是如何生活的。但是，这次我们非常确信它们是被保存在生活的位置，而且我们发现的是一个原始的、未受干扰的种群。”

保存完好的 Ernietta 化石的图像。图片来源：Marc Laflamme，多伦多大学。

根据所发现化石的位置，研究人员得出结论：这些固着生物生活在海底，身体有一半是埋在沉积物中的。“Ernietta 身体柔软，没有真正坚硬的部分。在生活的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。图片由 Vanderbilt 大学提供。

在他们的研究中，该团队使用 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。大多数生活在海洋中的现代动物已经进化出了复杂的身体形状，其身体与流动流体以某种方式相互作用来帮助进食；CFD 仿真提供了一种研究和解释在当今几乎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，以及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、它们的身体结构和周围的群落来获取营养的。（例如，贻贝、牡蛎和水母就是滤食性动物的一些典型例子。）

根据对 Ernietta 化石的研究，研究人员推测这些生物主要是通过滤食作用进食的，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的动物行为。如果我们能够确定 Ernietta 确实是滤食性动物，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 仿真分析了一个个体 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，生物体的中心腔内都存在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。” (参考文献 1) 基于这些结果，研究人员得出结论：Ernietta 是在其中心腔内获取大部分营养的。

接下来，他们模拟了生活在上游和下游的 Ernietta 聚集群落和有一定间隔的群落，并进行了受可变水流影响的研究。从模拟中，研究人员推断，这些聚集群落通过协同工作操控水流，以确保群落中的所有生物都有足够的营养物质，并能将废弃物排出群体。Gibson说：“能够实际重建这些生物体在 5.5 亿年前是如何相互影响的，对我们来说是一件震惊的事情。”

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：所有模型都与水流平行，埋藏深度适中。此外，所有模拟均设置为 0.2m/s 的入口速度。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。“对埃迪卡拉纪存活的各个生物群掌握的信息越多，我们对整个 埃迪卡拉生物群的了解就越多。” Gibson 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一起工作，我们是对这项研究做的比较好的研究团队。”

延伸阅读

• 了解关于文中讨论的研究的信息：
  • 点击此处，阅读完整的研究论文：“Gregarious suspension feeding in a modular Ediacaran organism”
  • 查看相关的Phys.org 文章
• 了解研究人员使用仿真研究水下生物的其他方法：
  • 使用 CFD 模拟研究古代生物的行为
  • 借助仿真研究鱼类的游动形态

参考文献

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