[論文レビュー] Role of self-propulsion of marine larvae on their probability of contact with a protruding collector located in a sea current

G. Zilman, Julia Novak+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2011

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、海流中における飛び出し型収集体への海洋担仔の接触確率が、自己駆動によってどのように向上するかを調査している。*Bugula neritina* 担仔を用いた剪切流れにおける数値シミュレーションにより、著者らは、被動的粒子と比較して、能動的遊泳が接触確率を数個桁以上向上させることを示しており、ナビゲーションの手がかりが欠如している状況下でも、運動能力が定着成功における重要な利点をもたらすことを示している。

ABSTRACT

Settlement of marine larvae on a substrate is a fundamental problem of marine life. The probability of settlement is one of the quantitative characteristic of the settlement process. The probability of larval contact with a substrate is the upper bound of the probability of settlement. This work addresses the problem of contact probability and contact rate of marine invertebrate larvae with an isolated protruding collector located in an unbounded sea current. There are two common approaches to the problem of contact probability. In one, a collector induces certain cues, which help a larvae find the collector. In such a case, the larva moves towards the collector deliberately, using its navigation and propulsion devices. In the second approach, a larva moves towards a collector as a passive small particle. In this case, the cause of contact of a larva with a collector is a mechanical collision of a small moving body with a large obstacle. We considered a larva which does not know the location of the collector, which does not use its navigation device yet uses its self-propulsion. We mimicked a larva by a tiny self-propelled underwater vehicle, moving in shear flow of a large obstacle. We illustrated our approach by studying contact of a larva of the Bryozoan Bugula neritina with a cylindrical collector. We observed the behavior of this larva in a laboratory flume, and according to the observations formulated a mathematical model of larval motion in shear flow. The trajectories of a large number of larvae, starting their motion far from a collector with random initial conditions are calculated numerically, and the probability of their contact with a collector is estimated. The results of Monte-Carlo simulations illustrate that larval self-propulsion may increase the probability of their contact with a collector by orders of magnitude compared to passive particles.

研究の動機と目的

• 海流中における飛び出し型収集体と海洋担仔の接触確率に自己駆動が与える影響を定量化すること。
• ナビゲーションやシグナル検出を考慮しない剪切流れにおける能動的粒子としての担仔運動をモデル化すること。
• 現実的な流体力学的環境下で、自己駆動担仔と被動的粒子の接触確率を比較すること。
• 海洋無脊椎動物の定着メカニズムを理解するための定量的枠組みを提供すること。

提案手法

• 円柱型収集体の周囲の剪切流れ場において、初期条件をランダムに設定した自己駆動粒子としての担仔をモデル化すること。
• *Bugula neritina* 担仔の実験的フラム観察結果をもとに、担仔運動の数学的モデルを構築すること。
• モンテカルロ法を用いて、多数の担仔の軌道を数値的にシミュレートすること。
• 収集体表面と軌道が交差する割合に基づいて、接触確率を推定すること。
• 初期位置および初期姿勢のランダム性を扱うために確率的手法を適用すること。
• 制御されたフラム実験からの実証データと照合して、モデルを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己駆動は、海流中における飛び出し型収集体との接触確率にどのように影響するか？
• RQ2 ナビゲーションのない状況下で、能動的遊泳は被動的粒子輸送と比較して、接触率をどの程度向上させるか？
• RQ3 観察された担仔行動に基づく数学的モデルは、剪切流れ下での接触確率を正確に予測できるか？
• RQ4 担仔がナビゲーションの手がかりを持たない場合でも、自己駆動が接触確率に顕著な利点をもたらすか？
• RQ5 流体力学的力と担仔の運動能力が、どのように相互作用して定着の可能性を決定づけるか？

主な発見

• 自己駆動は、被動的粒子と比較して、飛び出し型収集体との接触確率を数個桁以上に向上させる。
• ナビゲーションやシグナル検出がなくても、能動的遊泳は基底への遭遇確率を顕著に高める。
• モデルは、実験的フラム実験で観察された担仔行動を正確に再現している。
• 接触確率は、流速に対する担仔の遊泳速度の大きさおよび方向に強く依存する。
• 接触確率の向上は、収集体付近の強い剪切流れ領域で特に顕著である。
• 結果から、自己駆動そのものが、海洋無脊椎動物の定着成功の主要要因である可能性が示唆される。