寒武纪早期宽川铺生物群固着型微体水母的流体模拟研究

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根据古生物化石的形态结构破译其功能,是重建古生物生活方式的重要内容,具有重要的古生态学研究意义。但是,由于化石保存不完整、缺乏可对比的现生类群等因素,其形态功能的研究通常是定性的推测,缺乏定量分析的工作。得益于古生物数字化的快速推进,通过建立三维模型,计算流体力学(computational fluid dynamics简称CFD)能够实现化石形态与功能的定量分析,对验证现有假说具有重要作用。刺细胞动物是华南寒武纪幸运期海洋生态系统的重要组成部分,其研究对于深入了解后生动物的起源与演化具有重要意义。寒武纪初期的宽川铺生物群(距今约535Ma)盛产磷酸盐化保存的小壳化石,包括大量具有多种辐射对称身体结构的刺细胞动物化石,且化石保存质量好,为本研究奠定了基础。本文构建了三种具有不同辐射对称身体结构的微体水母的3D模型,使用CFD的方法,定量研究不同水母在古海洋中与水流的相互作用,流体模拟研究表明:(1)流体环境对于微体水母的生存及捕食而言是重要的影响因子。在一定范围内(0.1–0.4 m/s),流速的增大,能够提高滤食效率,对底栖水母的成长有益;超过临界值,生物所承受的环境压力超过负荷,则影响其生存。(2)在相同的条件下,两辐射对称的Hexaconularia sichuanensis比四辐射对称的Quadrapyrgites quadratacris具有更低的阻力系数和更小的位移,更适应于底栖固着的生活方式,表明不同辐射对称的微体水母能够产生明显的流体动力学差异。(3)对于三辐射对称的Anabarites trisulcatus而言,与独居相比,群居生活场景下阻力系数更低,关键部位(基部)承受的高应力更小,且能建立高效的营养流通渠道,栖息适宜度更高,这些定量分析的结果支持Anabarites trisulcatus营群居生活的推测。本文通过模拟实验,从定量的角度研究了底栖水母与水流的相互作用,对于重建其生活方式具有重要参考价值。本研究是小壳化石与流体力学仿真技术相结合的一次有益尝试,表明在微体化石研究中,CFD是一种具有潜力的工具,有望为研究寒武纪小壳化石提供新思路。
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