Negli oceani del mondo, miliardi di minuscole lumache marine (una forma di plancton) si spostano giornalmente tra le acque superficiali, dove si nutrono di notte, a profondità di diverse centinaia di metri durante il giorno per riposare evitando i predatori. Le lumache marine svolgono un ruolo importante nei cicli geochimici e climatici:il 12-13% del flusso globale di carbonati si verifica quando i gusci di carbonato di calcio delle lumache morte affondano nelle profondità, dove si dissolvono e contribuiscono all'acidificazione del carbonio atmosferico e degli oceani. Ma poiché sono difficili da studiare e non possono essere tenuti in laboratorio, il comportamento di questi animali - che portano nomi poetici come farfalle di mare - è poco conosciuto, soprattutto per le regioni subtropicali e tropicali dove la loro diversità è maggiore.

Qui, un team di oceanografi e ingegneri specializzati nella ricerca all'intersezione tra fisica dei fluidi e biologia, filma i movimenti delle lumache marine tropicali e analizzali sia da una fisica fluida che da una prospettiva ecologica. Mostrano che ogni specie ha uno stile distinto di nuoto e affondamento, bello da guardare, a seconda della forma del loro guscio (avvolto, allungato, o rotondo), Corporatura, presenza di "ali" sbattenti, e velocità. Il più piccolo, le specie più lente hanno più difficoltà a nuotare a causa del fatto che l'acqua di mare è "più appiccicosa" e più viscosa per loro, in termini tecnici, con un "numero di Reynolds" più basso, che influisce sull'angolo, traiettoria, e stabilità del loro movimento.

"Volevamo rispondere a come il comportamento di nuoto di questi splendidi animali è influenzato dalle loro diverse forme e dimensioni del guscio. Abbiamo scoperto che le specie con una conchiglia a forma di ala di aeroplano nuotano più velocemente ed è più manovrabile di quelle con arrotolate "a forma di lumaca" conchiglie. Comprendere la capacità di nuoto di questi animali ci sta aiutando a comprendere meglio la loro importanza ecologica e la loro distribuzione nell'oceano. Inoltre, come ingegneri, speriamo di imparare dallo stile di nuoto di questi organismi per progettare una nuova generazione di veicoli sottomarini di ispirazione biologica, " dice l'autore corrispondente Dr. David Murphy, Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della University of South Florida, Tampa, Florida.

Tra il 2017-2019, i ricercatori hanno catturato più individui di nove specie di lumache marine (0,9-13,1 mm di lunghezza) di notte al largo delle Bermuda, tra cui 7 specie di pteropodi tecosomatosi ("farfalle di mare"), una specie di pteropodi gimnosomatosi ("angeli marini", che da adulti mancano di conchiglia), e una specie di eteropodi atlantidi. Li hanno trasportati al laboratorio, dove hanno registrato il loro comportamento in un acquario di acqua salata con stereofotogrammetria ad alta velocità, una tecnica che traccia il movimento in 3-D con un paio di fotocamere. Per ogni specie, hanno calcolato la velocità assoluta e normalizzata (relativa alla lunghezza del corpo) durante il nuoto attivo e l'affondamento passivo, la frequenza del movimento dell'ala, l'angolo di discesa durante l'affondamento, la tortuosità del percorso di salita durante il nuoto, e il numero di Reynolds.

Mostrano che ogni specie ha un modello di nuoto distinto, generalmente ascendente in una spirale a denti di sega a 12-114 mm/s, o 1-24 lunghezze del corpo al secondo, corrispondenti a un maschio umano di taglia media che nuota fino a 40 m al secondo. Le lumache affondano a velocità simili, ma in linea retta, con un angolo di 4-30° rispetto alla verticale.

"Concludiamo che il comportamento di nuoto e affondamento di queste lumache pelagiche corrisponde fortemente alla forma e alle dimensioni del guscio. Le lumache minuscole con il guscio arrotolato nuotano più lentamente mentre le lumache più grandi con il guscio a forma di bottiglia o a forma di ala nuotano più velocemente perché le loro dimensioni più grandi consentono loro di superare gli effetti della viscosità dell'acqua. la velocità di nuoto non è correlata a quanto lontano questi animali migrano ogni giorno, il che suggerisce che anche i livelli di luce e temperatura e la presenza di predatori e prede abbiano un ruolo. Abbiamo anche scoperto che la farfalla di mare con il guscio a forma di ala usa il suo guscio per "deltaplanare" verso il basso per rallentare il suo affondamento, "dice Murphy.

Per studiare le preferenze di profondità di ciascuna specie, Murphy et al. ulteriormente campionato un gran numero di lumache con una rete gestita da computer, chiamato rete di apertura/chiusura multipla e sistema di rilevamento ambientale, 0-1000 m sotto la superficie. Hanno usato l'apprendimento automatico (basato su immagini) e il codice a barre del DNA ribosomiale per determinare le specie. Sulla base di questi risultati, i ricercatori stimano che queste specie percorrano 50-300 m al giorno, in un "pendolarismo" verticale giornaliero che richiede un totale di 1-3,7 h al giorno.

"È assolutamente affascinante guardare questi piccoli, animali delicati battono le ali in movimenti davvero complessi per volare essenzialmente attraverso l'acqua. Siamo fortunati ad avere telecamere ad alta velocità che possono rallentare questo movimento abbastanza da consentirci di vederlo. Ed è sorprendente pensare che queste farfalle di mare utilizzino gli stessi principi di fluidodinamica per volare nell'acqua che gli insetti usano per volare nell'aria, "conclude Murphy.