Sci. Adv.速递：分形几何形态是对捕食的进化响应？

关键词：分形几何，结构稳定性，自然演化

论文题目：Fractal-like geometry as an evolutionary response to predation?

斑图地址：https://pattern.swarma.org/paper/462a208a-2c5a-11ee-9b3d-0242ac17000d

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0480

生物学中对类分形系统的研究由来已久，从分类模式的形状到微生物生长和代谢缩放。利用分形结构对生物的呼吸器官有明显益处，可以让功能组织的表面积最大化、体积最小化。在工程领域，类分形的形态可以增加结构对压缩载荷的抵抗能力，提高弯曲强度并增加能量吸收。然而，类似分形的几何形态是否能为生物提供结构支持，或者换句话说，分形几何形态的演化是否可以通过功能适应来实现更优的机械性能？鹦鹉螺足类动物（ammonoid）是古生代晚期到中生代海洋中的软体动物，化石广泛分布且具有地质年代属性，因此鹦鹉螺内部分形结构的迭代演化为回答上述问题提供了一个理想的系统。

最新发表于Science Advances的论文，展示了分形形态与结构稳定性之间的明显相关性。通过线性和非线性计算机力学模拟，研究者证明了隔膜（septal）几何形态复杂度的增加，会增加能量吸收和诱发不稳定所需的力量，并且由于屈曲引起的形状变化会导致结构中的应力急剧增加。这产生了通过增加弯曲结构所需的力来预防这种变形的演化适应趋势。在理论和实证模型的情况下，几何复杂度较低的隔膜屈弯曲所需的力，明显低于几何复杂度更高的隔膜。即隔膜的分形结构，显著提高整个壳体的机械稳定性。

作者提出，类几何分形结构为整个壳体带来的机械稳定性优势，为动物提供了更优越的结构支撑和防御捕食的能力，是驱动鹦鹉螺隔膜向更高复杂度演化的推动力。认识这一独特特征的适应价值，有助于充分理解形态、生态转变和历史上大规模灭绝之间错综复杂的演化趋势。