Los gusanos negros (Lumbriculus variegatus) son parientes lejanos de los gusanos de lluvia, midiendo hasta 10 cm de largo. Viven en marismas poco profundas, estanques y pantanos en Europa y América del Norte, donde se alimentan de microorganismos y desechos. Para protegerse de la sequía, los gusanos negros pueden agregarse como enredados, "manchas" que cambian de forma compuestas por unos pocos a cientos de individuos. Como enjambres de abejas, balsas de hormigas rojas, o bandadas de estorninos, las manchas de gusanos negros pueden mostrar un movimiento colectivo "inteligente".

Ahora, Los científicos muestran que el movimiento colectivo efectivo solo puede surgir en las manchas de gusanos negros cuando las condiciones son las adecuadas, en particular, cuando hay un equilibrio entre la actividad y la "adherencia" de los gusanos negros individuales. Recientemente publicaron sus resultados como acceso abierto en la revista. Fronteras en física.

"Si bien los gusanos individuales dentro de la mancha deben adherirse entre sí, también deben ser accesibles al exterior para seguir recibiendo información del entorno más amplio, "dijo el primer autor, el Dr. Chantal Nguyen, investigador postdoctoral en el Instituto BioFrontiers de la Universidad de Colorado en Boulder, NOSOTROS.

"¿Cuál es el mejor equilibrio entre estos requisitos opuestos, ¿Qué permitiría a los gusanos un nivel óptimo de detección y respuesta al medio ambiente como un todo? Para encontrar este equilibrio Hicimos una serie de experimentos con gusanos negros reales para crear un modelo realista de una gota de gusano ".

Encontrar la temperatura adecuada

¿Por qué es importante estudiar las manchas de gusanos? La razón radica precisamente en su organización social en múltiples niveles.

Las interacciones entre gusanos negros individuales pueden producir inesperadas, propiedades novedosas cuando se mueven como una gota. Estas propiedades "emergentes" son una característica de los sistemas biológicos, de proteínas a organismos multicelulares a ecosistemas. Por lo tanto, las manchas no solo son fascinantes por derecho propio, pero también puede servir como modelo para sistemas similares demasiado pequeños o demasiado grandes para observarlos fácilmente, por ejemplo, los filamentos de actina semiflexibles en el citoesqueleto, cilios, y flagelos de células.

"Los biopolímeros activos y los filamentos de actina son excelentes ejemplos de los llamados 'colectivos de materia activa entrelazada, 'que son un tema candente en robótica y ciencia de materiales, "dijo el coautor Dr. M. Saad Bhamla, profesor asistente en el Instituto de Tecnología de Georgia, en Atlanta, NOSOTROS.

Para estudiar la respuesta de los gusanos negros a los cambios ambientales, Nguyen y otros investigadores registraron el movimiento de gusanos negros individuales en baños de agua cuya temperatura aumentó gradualmente de 12 a 34 ºC. Hasta 30 ºC, los gusanos tendían a explorar el baño, buscando sus paredes y luego moviéndose a lo largo de ellas. A temperaturas más altas, perjudicial para su fisiología, la mayoría de los gusanos se quedaban quietos.

Probando una gota de gusano digital

Luego, los investigadores simularon el comportamiento individual y colectivo de los gusanos negros en un modelo de computadora, restringiendo los blobs a solo dos dimensiones por simplicidad. Programaron a los gusanos para que se comportaran como moléculas:repelerse frente a atraerse entre sí a distancias muy cercanas frente a distancias moderadas, y no interactuar a mayores distancias. Los gusanos aislados fueron programados para explorar más a bajas temperaturas. La flexibilidad entre sus segmentos corporales se fijó en moderada, dando como resultado que los gusanos modelo se estiran a bajas temperaturas pero se enrollan a temperaturas más altas.

Los investigadores muestran que el movimiento colectivo sostenido de las manchas de gusanos negros solo puede surgir cuando existe un delicado equilibrio entre la "adherencia" de los gusanos y su movimiento individual. para que las manchas permanezcan juntas mientras se mueven para buscar puntos más fríos. Alrededor de este equilibrio óptimo, las manchas del modelo se movieron a una velocidad de 1 mm / s en promedio, pero más lentamente para manchas más grandes.

"Cuando cambiamos los parámetros, especialmente la atracción entre gusanos y la fuerza de la autopropulsión individual, Observamos tres estados de comportamiento amplios:uno en el que la locomoción colectiva ocurre consistentemente, otro donde las manchas se desmoronan, y finalmente uno donde los gusanos se aferran tan fuertemente entre sí que las gotas no pueden moverse, "dijo el coautor Dr. Orit Peleg, profesor asistente de informática en el BioFrontiers Institute.

"Los gusanos negros reales también los muestran, lo que significa que nuestro modelo, a pesar de su simplicidad, captura gran parte de la complejidad del organismo real ".

"Esperamos que nuestros resultados actuales se puedan aplicar al diseño de sistemas robóticos novedosos en los que robots individuales suaves y flexibles puedan enredarse y moverse como una unidad. Otra posible aplicación sería en 'materiales vivos diseñados, 'tales como materiales de construcción o telas, que se componen de unidades autónomas que pueden reorganizarse para su reparación o para responder al medio ambiente, "concluyó Bhamla.