Kako se morske zvijezde kreću bez mozga i šta to znači za budućnost tehnologije
Kako morske zvijezde nadziru i usklađuju stotine cjevastih nožica dok se kreću — i kako to rade bez mozga?
Morske zvijezde, često poznate i kao zvjezdače, predstavljaju razred morskih beskičmenjaka koji su uglavnom oblikovani poput zvijezde s pet krakova.
Morske zvijezde spadaju u bodljokošce (Echinodermata), riječ nastalu spajanjem dvije starogrčke riječi koje pojedinačno znače „jež“ (ekhînos) i „koža“ (dérma). Taj naziv potiče od činjenice da je gornja površina morske zvijezde obično bodljikava, poput ježa, i prekrivena preklapajućim pločicama.
Kao što se može očekivati, morske zvijezde žive na morskom dnu. Iako većina nas o njima razmišlja kao o stanovnicima plitkih, priobalnih zona, one se zapravo mogu naći i na dubinama do 6.096 metara ispod površine mora.
Do sada je naučno opisano oko 1.900 vrsta morskih zvijezda, a sve su isključivo morska bića koja nastanjuju sve svjetske okeane – od toplih, tropskih voda do ledenih, polarnih područja.
Morske zvijezde se oslanjaju na stotine savitljivih cjevastih nožica kako bi se kretale, i nevjerovatno je da to čine efikasno bez mozga ili bilo kakvog drugog centralizovanog nervnog sistema. Kako je to uopće moguće? Isto pitanje postavio je i međunarodni tim naučnika.
„Zanima me fizika života — kako se životinje kreću i stupaju u interakciju sa svojim okruženjem, te kako su njihova tijela i nervni sistemi organizovani da bi to omogućili“, rekla je jedna od autorica nove studije, primijenjena matematičarka Eva Kanso, profesorica vazduhoplovnog i mašinskog inženjerstva na Univerzitetu Južne Kalifornije, gdje nosi titulu Z. A. Kaprielian Fellow u inženjerstvu, uz dodatna imenovanja u fizici i astronomiji.
Profesorica Kanso, čije se istraživanje nalazi na granici biologije i fizike, posebno je stručna u proučavanju kako zakoni fizike, naročito mehanika i dinamika fluida, oblikuju načine na koje se živi organizmi kreću, opažaju i komuniciraju sa svojom okolinom.
„Morske zvijezde su sjajan primjer“, napisala je profesorica Kanso u e-mailu za Forbes.
„One se mogu pričvrstiti za razne površine, puzati po glatkom i kamenitom terenu, same se okrenuti kada se prevrnu, pa čak i razdvajati plijen poput školjki ili jastoga. Sve to rade koristeći samo dva mišićna sistema — svoje cjevaste nožice, koje djeluju poput sitnih hidrauličnih aktuatora, i tjelesne (endoskeletne) mišiće — te distribuiranu nervnu mrežu umjesto centralizovanog mozga. To je predivan primjer kako složeno ponašanje može proizaći iz relativno jednostavne, decentralizovane kontrole“, naglasila je.
Kako bi istražili način kretanja ovih stvorenja, profesorica Kanso i njeni saradnici fokusirali su se na običnu morsku zvijezdu, Asterias rubens. Ove morske zvijezde su obično narandžaste ili smećkaste boje, iako ponekad mogu biti i ljubičaste, dok su one koje žive u dubljim vodama uglavnom vrlo blijede.
Ova vrsta ima izuzetno široko rasprostranjenje koje obuhvata sjeveroistočni Atlantski okean, od Norveške i Švedske pa južno duž obala Afrike sve do Senegala. Također se nalazi i duž zapadnog Atlantika, od Labradora do Meksičkog zaliva. Iznenađujuće, ove prilagodljive životinje mogu se naći čak i u bočatim vodama.
(A) Šematski prikaz eksperimentalne postavke, koja prilagođava princip FTIR-a posebno dizajniranom akvariju. Kada cjevaste nožice ostvare kontakt sa staklenom površinom opremljenom FTIR-om, one narušavaju totalnu unutrašnju refleksiju, što uzrokuje rasipanje svjetlosti i lokalno osvjetljavanje područja kontakta. Morskim zvijezdama je omogućeno slobodno kretanje, a njihovi pokreti se snimaju odozdo pomoću kamere postavljene ispod akvarija. (B) Fotografija eksperimentalne postavke koja prikazuje akvarij opremljen FTIR-sistemom za snimanje. Umetnuti prikaz (inset) daje uvećan pogled na krak vrste A. rubens, gdje su tokom kretanja jasno vidljive tačke kontakta pojedinačnih cjevastih nožica sa podlogom (strelica). (C) Slika oralne (donje) strane vrste A. rubens dok puže unutar eksperimentalne postavke.
(D) Postupak analize slike razvijen za kvantifikaciju broja prianjajućih cjevastih nožica i njihove kontaktne površine kroz vrijeme na osnovu sekvenci slika. Metoda uključuje poboljšanje kontrasta, pragovanje i automatizovanu detekciju radi preciznog vremenskog praćenja/Forbes/DOIi:10.1073/pnas.2509681123
Cjevaste nožice obične morske zvijezde raspoređene su u četiri reda duž donje strane svakog kraka, čineći mrežu privjesaka koji zajedno omogućavaju puzanje.
„Zanimao nas je način na koji morske zvijezde kontrolišu stotine svojih cjevastih nožica tokom kretanja“, objasnila mi je profesorica Kanso u e-mailu. „Da li nervni sistem mora nadzirati i koordinirati svaku pojedinačnu nožicu, ili pak svaka nožica donosi lokalne odluke sama za sebe, pri čemu mehaničke interakcije i međusobno povezivanje dovode do usklađenog, emergentnog kretanja?“
Kako bi bolje razumjeli kretanje morskih zvijezda, profesorica Kanso i saradnici koristili su tehniku nazvanu frustrirana totalna unutrašnja refleksija (FTIR) kako bi u realnom vremenu vizualizirali i kvantifikovali prianjanje i odvajanje cjevastih nožica (slika 2). FTIR koristi staklo visoke refrakcije koje se osvjetljava kada dođe u kontakt s nožicama morske zvijezde dok ona puže.
„Ako mekani objekat (poput ćelije ili cjevaste nožice) dođe u kontakt, on ‘narušava’ ovu refleksiju i svjetlost izlazi van“, objasnila je profesorica Kanso u e-mailu. „Snimanjem te ‘procurjele’ svjetlosti možete mapirati tačnu kontaktnu površinu i njenu dinamiku s vrlo visokom prostornom i vremenskom rezolucijom.“
Ova tehnika omogućava mjerenje koliko dugo svaka pojedinačna nožica ostaje u kontaktu s podlogom, kao i koliko je nožica u kontaktu u bilo kojem trenutku. Profesorica Kanso i saradnici također su uzeli u obzir brzinu, težinu i veličinu morskih zvijezda.
Uočili su da se kretanje morske zvijezde odvija u tri faze: pričvršćivanje, prianjanje i odvajanje. Također su otkrili da morske zvijezde mijenjaju brzinu kretanja tako što mijenjaju vrijeme kontakta svojih nožica: duže vrijeme kontakta povezano je sa sporijim kretanjem, što znači da je sposobnost brzog odvajanja nožica ključna za brže puzanje. Ukupno vrijeme kontakta tokom kretanja obično je bilo kraće od jedne minute, u rasponu od 3 do 20 sekundi.
Da li veće morske zvijezde imaju veće cjevaste nožice? Zapravo, ne. Veličina nožica se nije mijenjala, već su morske zvijezde povećavale prianjanje tako što su koristile veći broj nožica tokom kretanja.
Šta se dešava ako morska zvijezda iznenada postane teža? Profesorica Kanso i saradnici istražili su to pitanje tako što su na morske zvijezde u eksperimentu pričvrstili sićušne 3D-štampane „ruksake“ kako bi povećali njihovu tjelesnu masu za 25 i 50 posto, kao i u drugom eksperimentu u kojem su mjerene promjene prianjanja dok su se morske zvijezde kretale naopako.
Ovi eksperimenti su pokazali da povećana tjelesna masa i kretanje naopako dovode do dužeg vremena prianjanja cjevastih nožica i sporijeg kretanja. Biomehanički modeli oba eksperimenta potvrdili su ove nalaze.
Zanimljivo je da ovi rezultati ukazuju na to da je kretanje morskih zvijezda rezultat lokalne mehaničke povratne sprege, pri čemu svaka cjevasta nožica autonomno prilagođava svoje ponašanje, sve to bez mozga koji bi upravljao centralnom koordinacijom.
„Ovi rezultati pokazuju da vam nije potreban centralizovani mozak niti detaljan globalni plan da biste postigli složeno, prilagodljivo ponašanje“, napisala je profesorica Kanso u e-mailu., te dodala: „Ponekad su jednostavna lokalna pravila, povezana kroz fiziku i mehaniku, dovoljna da proizvedu izuzetno usklađeno i otporno kretanje. Ta ideja ima implikacije ne samo za biologiju, već i za način na koji dizajniramo robote i vještačke sisteme.“
Zaista, ova studija pokazuje da morske zvijezde mogu promijeniti način na koji razmišljamo o fizičkoj kontroli i o inteligenciji uopće.
„Glavna poruka je da složeno, koordinisano kretanje ne zahtijeva uvijek centralnog upravljača koji sve nadgleda“, napisala je profesorica Kanso u e-mailu. „U sistemima poput morskih zvijezda, velik dio ‘inteligencije’ je distribuiran: pojedinačne komponente donose lokalne odluke, a njihove interakcije kroz fiziku i mehaniku prirodno dovode do organizovanog i robusnog ponašanja. Ovo pokazuje kako jednostavna pravila, povezana kroz tijelo i okolinu, mogu proizvesti iznenađujuće sofisticirano ponašanje.“
Ovi nalazi mogli bi imati primjenu u robotici i bio-inspirisanim tehnologijama. Konkretno, ovi uvidi mogli bi dovesti do dizajna mekih i višekontaktnih robotskih sistema.
Izvor
Amandine Deridoux, Sina Heydari, Stanislav. N. Gorb, Eva Kanso, Patrick Flammang, and Sylvain Gabriele (2026). Tube feet dynamics drive adaptation in sea star locomotion, Proceedings of the National Academy of Sciences 123(3):e2509681123 | doi:10.1073/pnas.2509681123
GrrlScientist, Forbes
