Blackworms (Lumbriculus variegatus) são parentes distantes de rainworms, medindo até 10 cm de comprimento. Eles vivem em pântanos rasos, lagoas, e pântanos na Europa e América do Norte, onde se alimentam de microorganismos e detritos. Para se proteger da seca, blackworms podem agregar como emaranhados, "bolhas" que mudam de forma compostas de alguns a centenas de indivíduos. Assim como enxames de abelhas, jangadas de formigas de fogo, ou bandos de estorninhos, manchas de blackworm podem mostrar movimento coletivo "inteligente".

Agora, os cientistas mostram que o movimento coletivo eficaz só pode emergir em bolhas de verme quando as condições são ideais - em particular, quando há um equilíbrio entre a atividade e a "aderência" de vermes individuais. Eles publicaram recentemente seus resultados como acesso aberto na revista Fronteiras na Física.

"Embora os vermes individuais dentro da bolha devam se agarrar uns aos outros, eles também precisam estar acessíveis para o exterior para continuar recebendo informações do ambiente mais amplo, "disse a primeira autora, Dra. Chantal Nguyen, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto BioFrontiers da Universidade do Colorado em Boulder, NÓS.

"Qual é o melhor equilíbrio entre esses requisitos opostos, que permitiria aos vermes um nível ideal de detecção e resposta ao ambiente como um todo? Para encontrar esse equilíbrio, fizemos um conjunto de experimentos com vermes reais para criar um modelo realista de uma bolha de verme. "

Encontrando a temperatura certa

Por que as bolhas de vermes são importantes para estudar? A razão está precisamente em sua organização social em vários níveis.

As interações entre os blackworms individuais podem produzir resultados inesperados, propriedades novas quando se movem como uma bolha. Essas propriedades "emergentes" são uma característica dos sistemas biológicos, de proteínas a organismos multicelulares a ecossistemas. Portanto, blobs não são apenas fascinantes por si só, mas também pode servir de modelo para sistemas semelhantes muito pequenos ou muito grandes para serem facilmente observados, por exemplo, os filamentos de actina semiflexíveis no citoesqueleto, cílios, e flagelos de células.

"Biopolímeros ativos e filamentos de actina são ótimos exemplos dos chamados 'coletivos de matéria ativa emaranhada, 'que são um tema quente na robótica e ciência dos materiais, "disse o co-autor Dr. M. Saad Bhamla, professor assistente do Instituto de Tecnologia da Geórgia, em Atlanta, NÓS.

Para estudar a resposta dos vermes negros às mudanças ambientais, Nguyen e outros pesquisadores registraram o movimento de vermes individuais em banhos de água cuja temperatura aumentou gradualmente de 12 para 34 ºC. Até 30 ºC, as minhocas tendiam a explorar o banho, procurando suas paredes e então movendo-se ao longo delas. Em temperaturas mais altas, prejudicando sua fisiologia, vermes quase sempre ficavam parados.

Testando um worm blob digital

Os pesquisadores então simularam o comportamento individual e coletivo dos vermes negros em um modelo de computador, restringindo blobs a apenas duas dimensões para simplificar. Eles programaram os vermes para se comportarem como moléculas:repelindo versus atraindo uns aos outros a distâncias muito próximas versus distâncias moderadas, e não interagir em distâncias maiores. Minhocas isoladas foram programadas para explorar mais ainda em baixas temperaturas. A flexibilidade entre seus segmentos corporais foi definida como moderada, resultando nos vermes do modelo que se esticam em baixas temperaturas, mas se enrolam em altas temperaturas.

Os pesquisadores mostram que o movimento coletivo sustentado de bolhas de vermes negros só pode surgir quando há um equilíbrio tênue entre a "aderência" dos vermes e seu movimento individual, para que as bolhas fiquem juntas enquanto se movem em busca de pontos mais frios. Em torno deste equilíbrio ideal, os blobs do modelo moviam-se a uma velocidade de 1 mm / s em média, mas mais lentamente para bolhas maiores.

"Quando mudamos os parâmetros, especialmente a atração entre vermes e a força da autopropulsão individual, observamos três amplos estados comportamentais:Um onde a locomoção coletiva ocorre de forma consistente, outro onde as bolhas desmoronam, e, finalmente, um em que os vermes se agarram tão fortemente uns aos outros que as bolhas não podem se mover, "disse o co-autor Dr. Orit Peleg, professor assistente de ciência da computação no Instituto BioFrontiers.

"Blackworms reais mostram isso também, o que significa que nosso modelo - apesar de sua simplicidade - captura muito da complexidade do organismo real. "

"Esperamos que nossos resultados atuais possam ser aplicados ao projeto de novos sistemas robóticos, onde robôs individuais macios e flexíveis possam se enroscar e se mover como uma unidade. Outra aplicação possível seria em 'materiais vivos projetados, 'como materiais de construção ou tecidos, que são compostas por unidades autônomas que podem se reorganizar para reparos ou para responder ao meio ambiente, "concluiu Bhamla.