Onderzoekers van de University of Cambridge hebben een robotvis ontwikkeld die kan helpen verklaren hoe gewervelde dieren honderden miljoenen jaren geleden de overgang van water naar land maakten. De robot laat zien dat verschillende moderne vissoorten, die niet nauw aan elkaar verwant zijn, op vergelijkbare wijze over land bewegen. Dat kan aanwijzingen geven over de manier waarop de eerste gewervelde dieren leerden lopen.
De studie, gepubliceerd in Nature Communications, combineert robotica, computermodellen en biologische observaties. De onderzoekers keken naar vissoorten die vandaag de dag al in staat zijn om zich tijdelijk over land voort te bewegen, zoals longvissen, pantsermeervallen, sculpins en slangenkopvissen. Hoewel deze dieren in het water veel efficiënter bewegen, kan het vermogen om korte afstanden over land af te leggen evolutionair voordeel bieden. Een vis kan bijvoorbeeld ontsnappen aan een roofdier, of zich verplaatsen van de ene ondiepe poel naar de andere.
Volgens hoofdonderzoeker Dr. Michael Ishida, verbonden aan het Department of Engineering van Cambridge, hoeft die manier van voortbewegen niet verfijnd te zijn om nuttig te zijn. “Als je over land kunt lopen en je roofdier niet, dan kun je ontsnappen en trekt het roofdier hopelijk verder”, zegt hij. “Je hebt dan ook de mogelijkheid om van de ene ondiepe wateromgeving naar de andere te gaan, bijvoorbeeld tussen getijdenpoelen.”
De onderzoekers ontdekten dat verschillende vissoorten een vergelijkbaar basispatroon gebruiken wanneer zij over land bewegen. Dat patroon noemen zij een ‘undulating tripod gait’. Daarbij gebruikt de vis zijn staart om het lichaam naar voren te duwen, terwijl de kop of voorvinnen als steunpunt dienen. De beweging ziet er op het eerste gezicht onbeholpen uit, alsof een zwemmende vis op het droge is beland en zich voort probeert te werken. Toch blijkt juist die eenvoudige beweging mechanisch effectief.
“Het ziet eruit als een zwemmende vis die op het land is neergezet”, zegt Ishida. “Een zwemmende vis gebruikt zijn lichaam om zich door het water voort te bewegen. Als je dat neemt, hem op land zet en hem enig vermogen geeft om zijn voorvinnen te verplaatsen, dan is dat precies wat hij doet.”
Het bijzondere aan de vondst is dat deze manier van bewegen opduikt bij soorten die verspreid zijn over de evolutionaire stamboom. Dat wijst op convergente evolutie: verschillende soorten ontwikkelen onafhankelijk van elkaar een vergelijkbare oplossing voor hetzelfde probleem. In dit geval is dat probleem hoe een dier zonder gespecialiseerde poten toch vooruit kan komen op land.
Om dat beter te begrijpen, bouwden de onderzoekers eerst een computermodel op basis van de bewegingen van de grijze bichir, Polypterus senegalus, een Afrikaanse vis die zich op land kan voortbewegen. Daarna vergeleken zij dit model met andere lopende vissen. Steeds zagen zij dezelfde primitieve, maar herkenbare manier van voortbewegen terugkomen.
“We bleven dit terugkerende soort loopbeweging zien, hoewel die heel primitief is”, zegt Ishida. “Een aantal verschillende vissen, verspreid over de evolutionaire stamboom en niet nauw aan elkaar verwant, doet dit allemaal. Het is zo’n eenvoudige beweging dat die telkens opnieuw kan ontstaan vanuit een heel basaal startpunt.”
Vervolgens bouwde het team een fysieke robotvis om de bewegingen in de praktijk te testen. Met die robot konden de onderzoekers verschillende manieren van lopen uitproberen. Daarbij bleek dat het efficiëntste bewegingspatroon sterk overeenkwam met de bewegingen van de bichir en met de uitkomsten van het computermodel.
“We hebben allerlei verschillende gangen met de robot geprobeerd, en elke andere gang die we probeerden was langzamer”, zegt Ishida. “Elke keer dat we veranderden hoe het lichaam boog, of in welke volgorde het boog, werd het slechter. Het was verrassend dat het optimale looppatroon in de simulatie en de robot overeenkwam met wat echte vissen daadwerkelijk doen.”
De robotvis is daarmee niet alleen een technisch experiment, maar ook een hulpmiddel voor evolutieonderzoek. Fossielen kunnen laten zien hoe oude dieren eruitzagen, maar niet altijd hoe zij precies bewogen. Door fossiele anatomie te combineren met computermodellen en robots kunnen onderzoekers hypotheses testen over bewegingen die honderden miljoenen jaren geleden plaatsvonden.
Een mogelijke volgende stap is onderzoek naar fossiele overgangsvormen zoals Tiktaalik, een bekend voorbeeld van een dier dat kenmerken van vissen en vroege landbewoners combineert. Met vergelijkbare robotica en simulaties zou onderzocht kunnen worden hoe zulke dieren zich mogelijk over modderige oevers of ondiepe watergebieden voortbewogen.
De studie laat zien dat de stap van zwemmen naar lopen mogelijk niet begon met complexe poten of geavanceerde motoriek, maar met een eenvoudige aanpassing van een bestaande zwembeweging. Een vis die zijn lichaam al gebruikte om door water te bewegen, kon dat patroon onder bepaalde omstandigheden ook op land inzetten. Onhandig, traag en primitief, maar genoeg om te ontsnappen, een nieuw leefgebied te bereiken en uiteindelijk een evolutionair pad te openen dat zou leiden naar de eerste landdieren.
