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Artificially evolved functional shell morphology of burrowing bivalves

Daniel P. Germann, Wolfgang Schatz, and Peter Eggenberger Hotz

Plain Language Abstract

The evolution of bivalve shell shapes is documented by a rich fossil record. In burrowing species, it is believed that the shell shape and surface structure play an important role for the burrowing performance. While the dimensions and features of shell shapes of different species have been measured thoroughly, there are almost no studies physically testing their actual effect in the burrowing process. To do this, we built an experimental setup. A printer that prints three dimensional (3D) objects was used to manufacture different shell models. We performed the first ever experiment to artificially evolve an optimal bivalve shell shape for burrowing. The result was a vertically flattened shell occupying only the top sediment layers. The major drawback of the setup was the difficulty to return the sediment into a similar state before each experiment. Nevertheless, it is demonstrated that palaeontological research may profit from an "understanding-by-building" approach. We suggest investigating bivalve shapes not only by simulating the burrowing process but also their evolution.

Resumen en Español

Evolución artificial de la morfología funcional de la concha de bivalvos excavadores

La evolución morfológica de los bivalvos está documentada por un abundante registro fósil. Se supone que la forma de la concha y la ornamentación juegan un papel importante en la actividad excavadora de las especies endobentónicas. Aunque se han llevado a cabo estudios morfométricos detallados de las conchas de los bivalvos, no existen apenas experimentos que evalúen sus propiedades dinámicas. Con objeto de analizar la morfología funcional de la concha de los bivalvos hemos empleado una metodología sintética y construido una configuración experimental para simular el proceso de excavación. Mediante el uso de un algoritmo evolutivo y una impresora tridimensional se ha llevado a cabo, por primera vez, una evolución artificial de la concha de un bivalvo. El resultado fue una concha aplastada verticalmente que ocupaba sólo las capas más superficiales del sedimento. El insuficiente control del sedimento ha sido la mayor limitación de la configuración y ha limitado el valor de los resultados. Sin embargo, se ha podido demostrar que la investigación paleontológica sistemática puede beneficiarse sustancialmente de los métodos sintéticos. Se conclute que la investigación de la morfología funcional no debe limitarse a reproducir los procesos dinámicos sino que debe tenerse en cuenta también la presión evolutiva mediante el uso de algoritmos evolutivos.

Palabras clave: bivalvos excavadores; morfología funcional; evolución artificial; presión evolutiva; biomecánica; morfoespacios

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Morphologie fonctionnelle de coquille de bivalves fouisseurs artificiellement évolué

L'évolution morphologique des bivalves est documentée par un riche registre fossile. On pense que la forme de la coquille et de la sculpture de surface jouent un rôle important pour la performance d'enterrement des espèces endobenthiques. Alors que les études morphométriques détaillées de coquilles bivalves ont été faites, il n'y a presque pas d'études qui essaient expérimentalement leurs propriétés dynamiques. Pour étudier la morphologie fonctionnelle de la coquille des bivalves, nous avons utilisé une méthodologie de synthèse et construit un dispositif expérimental pour simuler le processus d'enterrement. En utilisant un algorithme évolutif et une imprimante 3D, la première évolution artificielle d'une coquille de bivalve a été effectuée. Le résultat a été une coquille aplatie verticalement occupant seulement les couches de sédiments du dessus. Le contrôle insuffisant des sédiments a été la principale limite de l'installation et a limité la portée des résultats. Néanmoins, il est démontré que la recherche paléontologique systématique peut sensiblement bénéficier de méthodes synthétiques. Nous suggérons de rechercher la morphologie fonctionnelle non seulement en imitant des processus dynamiques, mais aussi la pression évolutive en utilisant des algorithmes évolutionnaires.

Mots-clés: bivalves fouisseurs; morphologie fonctionnelle; évolution artificielle; pression évolutive; biomécanique; espaces morphologiques.

Translator: Kenny J. Travouillon

Deutsche Zusammenfassung

Mittels künstlicher Evolution erzeugte funktionelle Schalenmorphologie von grabenden Muscheln

Die morphologische Evolution von Bivalven ist durch eine grosse Menge von Fossilien dokumentiert. Es wird angenommen, dass Gehäusegestalt und Oberflächenskulptur eine wichtige Rolle beim Grabverhalten der endobenthischen Arten spielen. Während einige detaillierte morphologische Untersuchungen über Muschelschalen durchgeführt wurden, gibt es fast keine experimentellen Studien zu ihren dynamischen Eigenschaften. Um die Funktionsmorphologie der Muschelschale zu untersuchen setzten wir eine synthetische Methode ein und entwickelten einen Versuchsaufbau, um den Grabprozess zu simulieren. Anhand eines evolutionären Algorithmus und eines 3D-Druckers wurde die allererste künstliche Evolution einer physischen Muschelschale vorgenommen. Das Ergebnis war ein vertikal abgeflachtes Gehäuse, das nur die obersten Sedimentschichten okkupierte. Unzureichende Kontrolle des Sediments war die größte Limitierung des Aufbaus und beschränkte die Aussagekraft der Ergebnisse. Dennoch wurde gezeigt, dass Forschung über systematische Paläontologie erheblich von synthetischen Methoden profitieren kann. Wir empfehlen funktionelle Morphologie nicht nur durch Nachahmen dynamischer Prozesse zu untersuchen sondern auch durch Nachahmen von evolutionärem Druck indem evolutionäre Algorithmen genutzt werden.

Schlüsselwörter: grabende Bivalven; Funktionsmorphologie; künstliche Evolution; evolutionärer Druck; Biomechanik; Morphospaces

Translator: Eva Gebauer and author

Arabic

394 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

 

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