Visualizing the fluid flow through the complex skeletonized respiratory structures of a blastoid echinoderm
Plain Language Abstract
Our goal is to understand the functional effectiveness of the remarkably complex skeletonized respiratory structures in blastoids, an extinct group of bottom-dwelling stalked echinoderm. The complexity of the structures required a modeling approach, and we used a scaled-up 3D printed model of part of one of these structures to directly observe the pattern of water flow within it. Our results show that the path of water flow within the structures is consistent with a respiratory system able to function with high effectiveness. While it is notoriously difficult to determine the exact reasons for the evolutionary success of one group over other groups, it is possible that the hydrospires also helped the blastoids with some other function beyond respiration, for example, feeding.
Resumen en Español
Visualizando el flujo de fluido a través de las complejas estructuras esqueléticas respiratorias de un equinodermo blastoideo
Los blastoideos del grupo Spiraculata tienen extraordinarias estructuras respiratorias esqueléticas internas, las hidrospiras ("hydrospires"). Sin embargo, el patrón detallado del flujo de agua de mar dentro de las hidrospiras es desconocido, por lo que es difícil evaluar su eficacia respiratoria. Con el uso de un modelo físico impreso 3D de mayor escala (72x), para visualizar el flujo de agua a través de la parte más distal (aboral) de la hidrospira de Pentremites rusticus, mostramos que el flujo era coherente con el intercambio respiratorio eficaz en los pliegues de la hidrospira- el flujo continuaba horizontalmente dentro de los pliegues de la hidrospira pasando después a través de los canales de poros de la hidrospira y solo desarrollaba un componente adoral a su velocidad una vez que había entrado en los canales de la hidrospira. El flujo laminar ordenado observado es compatible con los valores de Reynolds que estimamos para un blastoideo vivo (Re = 0,0008-0,05). Aunque la mayoría de los análisis funcionales de hidrospiras espiraculadas se han centrado en su función respiratoria, también es posible que estas jugasen un papel importante en la alimentación, ayudando a sacar agua más allá de las braquiolas, lo cual constituye una hipótesis que puede ser objeto de futuras comprobaciones.
Palabras clave: Blastoidea; Echinodermata; Morfología funcional; Flujo de fluido; Hidrospira; Modelo impreso tridimensional
Traducción: Enrique Peñalver
Résumé en Français
Visualisation de l'écoulement du fluide à travers les structures respiratoires squelettisées complexes d'un échinoderme blastoïde
Les blastoïdes spiraculés ont des structures respiratoires squelettisées internes extraordinaires, les hydrospires. Cependant, le modèle détaillé de l'écoulement de l'eau de mer en leur sein n'est pas connu, ce qui rend difficile l'évaluation de l'efficacité respiratoire. En utilisant un modèle physique imprimé en 3D agrandis (72x) afin de visualiser le flux d'eau à travers la partie la plus distale (aborale) de l'hydrospire de Pentremites rusticus, nous montrons que le flux était consistent avec un échange respiratoire efficace dans les plis d'hydrospire - le flux a continué horizontalement dans les plis d'hydrospire après le passage à travers les canaux de pores d'hydrospire et a seulement développé un composant adorale à sa vitesse une fois qu'il était entré dans les canaux d'hydrospire. Le flux laminaire et ordonné observé est consistent avec les nombres de Reynolds que nous estimons pour un blastoïde vivant (Re = 0,0008 à 0,05). Alors que la plupart des analyses fonctionnelles des hydrospires spiraculés sont concentrées sur leur fonction respiratoire, il est également possible qu'ils ont joué un rôle dans l'alimentation, en aidant à puiser de l'eau au-delà des brachioles, ce qui est une hypothèse qui est prêtée à une analyse future.
Mots-clés: Blastoidea; Echinodermata; Morphologie fonctionnelle; Écoulement de fluide; Hydrospire; modèle imprimé en trois dimensions
Translator: Kenny J. Travouillon
Deutsche Zusammenfassung
Sichtbarmachung des Flüssigkeitsstroms durch die komplexen skelettierten Atemwegsstrukturen eines blastoiden Echinodermen
Spirakulate Blastoide haben außergewöhnliche interne skelettierte Atemwegsstrukturen, die Hydrospire. Jedoch ist nicht bekannt wie genau das Meerwasser hindurchströmt, was die Bestimmung der respiratorischen Wirksamkeit der Blastoide erschwert. Mit einem vergrößerten (72x) 3D-Druckmodell visualisierten wir den Wasserfluss durch den am weitesten distal (aboral) gelegenen Teil der Hydrospire von Pentremites rusticus. Wir zeigten, dass der Durchfluss bei effektivem respiratorischen Austausch in den Falten der Hydrospire gleich bleibend war – der Durchfluss setzte sich horizontal fort innerhalb der Falten der Hydrospire nachdem die Porenkanäle passiert waren und nahm erst eine adorale Geschwindigkeitskomponente an als die Hydrospiren-Kanäle passiert waren. Die beobachtete geordnete laminare Strömung stimmt mit der Reynoldszahl die bei einem lebenden Blastoiden (Re = 0.0008–0.05) zu erwarten ist überein. Während die meisten Funktionsanalysen über spirakulate Hydrospire auf die Atemwegsfunktion fokussiert sind, ist es ebenso möglich, dass diese eine Rolle bei der Nahrungsaufnahme spielten indem sie Wasser hinter die Brachiolen brachten, was eine Hypothese für weitere Untersuchungen ist.
Schlüsselwörter: Blastoidea; Echinodermata; Funktionsanalyse; Flüssigkeitsstrom; Hydrospire; dreidimensionales Druckmodell
Translator: Eva Gebauer
Arabic
in progress
Translator: Ashraf M.T. Elewa
