Функциональная морфология

Функциональная морфология изучает, что делает структура и как она работает, интерпретируя форму животных через призму физики питания, движения и других задач в свете эволюции.

Definition

Функциональная морфология — это исследование взаимосвязи между структурой организма или его частей и функциями, которые эти структуры выполняют, часто анализируемое с использованием принципов физики и инженерии и интерпретируемое в эволюционном контексте.

Scope

Эта тема охватывает анализ того, как анатомические структуры выполняют свои задачи, связывая форму с функцией и с физической средой. Она рассматривает биомеханику питания, передвижения, опоры и других видов деятельности, концепцию того, что структура может выполнять несколько функций или быть компромиссом между конкурирующими требованиями, а также использование экспериментов, моделирования и сравнения для проверки того, как дизайн связан с производительностью и, в конечном итоге, с приспособленностью.

Core questions

• Как данная анатомическая структура выполняет свою функцию?
• Как физические законы ограничивают и формируют дизайн животных?
• Как конкурирующие функциональные требования разрешаются в рамках одной структуры?
• Как связь между формой и производительностью соотносится с приспособленностью и эволюцией?

Key theories

Связь формы-функции-производительности

Функциональная морфология связывает анатомическую форму с производительностью через физику работы структур и связывает производительность с приспособленностью, предоставляя цепочку рассуждений, объясняющую, почему структуры принимают те формы, которые они имеют.

Отображение «многие к одному» и компромисс

Структура может выполнять несколько функций и представлять собой компромисс между противоречивыми требованиями, а различные конструкции могут достигать одной и той же производительности, поэтому форму не всегда можно вывести из одной функции.

Mechanisms

Функциональные морфологи рассматривают анатомические структуры как биологические машины, подчиняющиеся физическим законам. Они измеряют или моделируют, как челюсть передает силу укуса, как плавник или конечность генерирует тягу, или как элемент скелета сопротивляется изгибу, используя механику, гидродинамику и материаловедение. Производительность оценивается экспериментально, с помощью высокоскоростной съемки, измерения силы и физических или вычислительных моделей, а структуры сравниваются между видами, чтобы связать различия в дизайне с различиями в экологии. Поскольку структура часто должна выполнять несколько задач и ограничена наследственностью и развитием, ее форма обычно отражает компромисс, а не оптимум для какой-либо одной задачи, и одна и та же производительность может быть достигнута более чем одним дизайном.

Clinical relevance

Функциональная морфология лежит в основе биомеханики, реконструкции поведения вымерших животных, а также биоинспирированной инженерии и робототехники, заимствующих решения из дизайна животных; она также определяет, как анатомия интерпретируется в сравнительной физиологии. Это образовательный контекст, а не клинический совет.

History

Работа Д'Арси Томпсона начала XX века по росту и форме явно связывала биологическую структуру с физическими и математическими принципами. Биологи середины и конца XX века, такие как Карел Лием и Стивен Фогель, развили функциональную морфологию и сравнительную биомеханику в строгие экспериментальные области, используя физику для объяснения того, как животные структуры функционируют и как они эволюционируют.

Key figures

• D'Arcy Wentworth Thompson
• Karel Liem
• Steven Vogel

Seminal works

• liem2001
• vogel2013

Frequently asked questions

Что такое функциональная морфология?

Это исследование того, как форма структур животного связана с тем, что эти структуры делают, используя принципы физики и инженерии для понимания того, как анатомия выполняет такие задачи, как питание и передвижение.

Может ли одна структура иметь более одной функции?

Да. Многие анатомические структуры выполняют несколько функций и представляют собой компромисс между конкурирующими требованиями, поэтому их форма отражает множество ролей, а не идеальную оптимизацию для какой-либо одной задачи.