CAREER: The evolutionary mechanics of rapid movement

职业:快速运动的进化机制

基本信息

  • 批准号:
    1149748
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 90万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-05-15 至 2014-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Rapid-fire trap-jaw ants, exploding dogwood flowers, ballistic amphibian tongues and the cellular spears of jellyfish produce extremely rapid movements through the simple physical principle of power amplification: the amplification of work relative to time, such that the duration of movement is decreased as speed and acceleration are increased. For the past forty years, power amplification has been the guiding physical principle in understanding fast movement in biology. However, most studies to date have focused on solving the intriguing biomechanics of single species and notably little is known about the evolutionary processes and patterns underlying the diversification of power-amplified systems. This proposal has two primary goals: (1) to examine and test the broad, unifying principles that underlie rapid movements in biology and (2) to establish and implement a quantitative framework for understanding the evolutionary dynamics of biomechanical diversification. To address these goals, the evolution and biomechanics of power amplification will be studied in mantis shrimp (Stomatopoda) which generate among the fastest and most forceful predatory movements in the animal kingdom. These impressive movements are controlled by slowly contracting muscles that activate a network of power amplification structures including springs, latches, linkages and lever arms. This power amplification system is conserved across the 450+ species of stomatopods, yet their raptorial appendages exhibit remarkable diversity ranging from spiny and barbed spears to hatchets and hammers.Power amplification will be examined from two perspectives. The first aim is to probe how the components of power-amplified systems vary to achieve different outputs. Spring material and mechanical testing will be performed, a mathematical model will be used to measure the effects of variation in loading regimes, energy transmission and drag, and a physical model will be used to examine the energetic costs and benefits of fluid dynamic forces and cavitation. The second aim is to ask how a balance of biomechanical integration and macroevolutionary variability is achieved, specifically by testing how key parameters of power amplification mechanisms are varied over time while still maintaining a cohesive, functional mechanical system. The culmination of this research will be a quantitative, evolutionary analysis of the dynamic interplay between the fundamental physical principles of power amplification and the evolutionary diversification of rapid biological movements. The Educational Plan includes discovery and training at multiple levels, ranging from high school to postdoctoral. Hands-on training in interdisciplinary, computational and field research will involve undergraduates, graduate students and postdoctoral scholars. A new undergraduate-level course will incorporate physics, engineering, computational and evolution-based approaches to organismal movement. An existing program founded by the Principal Investigator (PI), which has generated over 200 undergraduate research experiences in biology laboratories over the past two years at UMass Amherst, will be expanded to include a second program to match UMass undergraduates with interdisciplinary research opportunities outside of their degree-granting departments. A Research Experience for Teachers program will be established in the UMass Biology department through this grant; each summer, a high school teacher will conduct research in the PI?s laboratory leading to a presentation at a regional conference, a photo-documentary of the experience, and the development of inquiry-based classroom materials that conform to state standards.
快速射击的陷阱颚蚂蚁,爆炸的山茱萸花,弹道两栖动物的舌头和水母的细胞矛通过功率放大的简单物理原理产生极快的运动:相对于时间的功的放大,因此运动的持续时间随着速度和加速度的增加而减少。 在过去的四十年里,功率放大一直是理解生物学中快速运动的指导性物理原理。 然而,迄今为止,大多数研究都集中在解决单一物种的有趣的生物力学,特别是对功率放大系统多样化的进化过程和模式知之甚少。 该提案有两个主要目标:(1)检查和测试生物学中快速运动的广泛统一原则;(2)建立和实施一个定量框架,以了解生物力学多样化的进化动力学。 为了实现这些目标,将在螳螂虾(口足目)中研究功率放大的进化和生物力学,螳螂虾是动物王国中最快,最有力的捕食运动之一。 这些令人印象深刻的动作是由缓慢收缩的肌肉控制的,这些肌肉激活了一个功率放大结构网络,包括弹簧,闩锁,连杆和杠杆臂。 这种功率放大系统在450多种口足类动物中是保守的,但它们的捕食附肢表现出显着的多样性,从带刺的矛到斧头和锤子。功率放大将从两个角度进行研究。 第一个目的是探讨如何功率放大系统的组件变化,以实现不同的输出。 将进行弹簧材料和机械测试,将使用数学模型来测量负载制度、能量传输和阻力变化的影响,并将使用物理模型来检查流体动力和空化的能量成本和效益。 第二个目的是要问如何实现生物力学整合和宏观进化变异性的平衡,特别是通过测试功率放大机制的关键参数如何随时间变化,同时仍然保持一个有凝聚力的,功能性的机械系统。 这项研究的高潮将是对功率放大的基本物理原理与快速生物运动的进化多样性之间的动态相互作用进行定量和进化分析。 教育计划包括从高中到博士后的多个层次的发现和培训。 跨学科,计算和实地研究的实践培训将涉及本科生,研究生和博士后学者。 一个新的本科水平的课程将包括物理学,工程学,计算和基于进化的方法来研究生物体运动。 由首席研究员(PI)成立的现有计划,在过去两年中在马萨诸塞大学阿默斯特分校的生物实验室产生了200多名本科生的研究经验,将扩大到包括第二个计划,以匹配马萨诸塞大学本科生与他们的学位授予部门之外的跨学科研究机会。 一个教师的研究经验计划将建立在马萨诸塞大学生物系通过这笔赠款,每年夏天,一名高中教师将进行研究的PI?的实验室导致在一个区域会议上的介绍,经验的照片纪录片,并符合国家标准的调查为基础的课堂材料的发展。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

S. Patek其他文献

In Silico Preclinical Trials: Methodology and Engineering Guide to Closed-Loop Control in Type 1 Diabetes Mellitus
In Silico 临床前试验:1 型糖尿病闭环控制的方法学和工程指南
  • DOI:
    10.1177/193229680900300207
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    S. Patek;B. Bequette;M. Breton;B. Buckingham;Eyal Dassau;F. Doyle;J. Lum;L. Magni;Howard C. Zisser
  • 通讯作者:
    Howard C. Zisser
Acoustic ecology of the California mantis shrimp (Hemisquilla californiensis).
加州螳螂虾(Hemisquilla californiensis)的声学生态学。
  • DOI:
    10.1007/978-1-4419-7311-5_37
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    E. Staaterman;C. Clark;A. Gallagher;T. Claverie;M. S. de Vries;S. Patek
  • 通讯作者:
    S. Patek
Multiple-signal artificial pancreas systems
多信号人工胰腺系统
Stochastic and shortest path games: theory and algorithms
  • DOI:
  • 发表时间:
    1997
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    S. Patek
  • 通讯作者:
    S. Patek
The Contribution of Physical Activity in Blood Glucose Concentration for People with Type 1 Diabetes
体力活动对 1 型糖尿病患者血糖浓度的影响
  • DOI:
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Dimitri Boiroux;J. B. Jørgensen;S. Patek;M. Breton
  • 通讯作者:
    M. Breton

S. Patek的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('S. Patek', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: Moving with muscles vs. springs: evolutionary biomechanics of extremely fast, small systems
合作研究:肌肉运动与弹簧运动:极快、小型系统的进化生物力学
  • 批准号:
    2019323
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: The evolutionary mechanics of rapid movement
职业:快速运动的进化机制
  • 批准号:
    1439850
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Comparative Mechanics of Rapid Predatory Movements
快速掠夺运动的比较机制
  • 批准号:
    1014573
  • 财政年份:
    2009
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Comparative Mechanics of Rapid Predatory Movements
快速掠夺运动的比较机制
  • 批准号:
    0641716
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

经济复杂系统的非稳态时间序列分析及非线性演化动力学理论
  • 批准号:
    70471078
  • 批准年份:
    2004
  • 资助金额:
    15.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Evolutionary adaptation of dense microbial populations to range expansion
密集微生物种群对范围扩张的进化适应
  • 批准号:
    10751361
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Molecular control of chondrocyte hypertrophy: an evolutionary approach
软骨细胞肥大的分子控制:一种进化方法
  • 批准号:
    10606678
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Mechanism and Evolutionary Design of DNA Polymerase Clamp Loaders.
DNA 聚合酶夹钳装载机的机制和进化设计。
  • 批准号:
    10587243
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Evolutionary dynamics of dense, spatially structured, and antagonistic microbial populations
密集、空间结构和对抗性微生物种群的进化动力学
  • 批准号:
    10684081
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
NSF Postdoctoral Fellowship in Biology: Statistical Mechanics Reveals the Long-Term and Multi-Scale Consequences of Perturbations to Ecological and Evolutionary Dynamics
美国国家科学基金会生物学博士后奖学金:统计力学揭示扰动对生态和进化动力学的长期和多尺度后果
  • 批准号:
    2208901
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
    Fellowship Award
Transmission Aerobiology of M. tuberculosis: Genes and Metabolic Pathways That Sustain Mtb Across an Evolutionary Bottleneck
结核分枝杆菌的传播空气生物学:跨越进化瓶颈维持结核分枝杆菌的基因和代谢途径
  • 批准号:
    10682926
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Transmission Aerobiology of M. tuberculosis: Genes and Metabolic Pathways That Sustain Mtb Across an Evolutionary Bottleneck
结核分枝杆菌的传播空气生物学:跨越进化瓶颈维持结核分枝杆菌的基因和代谢途径
  • 批准号:
    10610915
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Transmission Aerobiology of M. tuberculosis: Genes and Metabolic Pathways That Sustain Mtb Across an Evolutionary Bottleneck
结核分枝杆菌的传播空气生物学:跨越进化瓶颈维持结核分枝杆菌的基因和代谢途径
  • 批准号:
    10404527
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Transmission Aerobiology of M. tuberculosis: Genes and Metabolic Pathways That Sustain Mtb Across an Evolutionary Bottleneck
结核分枝杆菌的传播空气生物学:跨越进化瓶颈维持结核分枝杆菌的基因和代谢途径
  • 批准号:
    10190646
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
Evolutionary dynamics of antibody affinity maturation
抗体亲和力成熟的进化动力学
  • 批准号:
    10083635
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 90万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了