He aquí, el gusano puntiagudo y su gemelo computarizado

En la naturaleza, un punto de gusano se parece a cualquier otra bola de barro que cuelga del fondo de un estanque. Pero si pincha un humilde punto de gusano, responderá de una manera que nunca lo hará una bola de barro, retorciéndose de una forma nerviosa que un experto pastafari podría confundir con algo divino.

Así es como Saad descubrió su primera mancha de gusano en un estanque de California. “Cuando lo pegas al palo, cobra vida”, dijo el Dr. Bhamla, bioingeniero de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto de Tecnología de Georgia. El encuentro del Dr. Bhamla con un gusano burbuja lo persiguió durante años (en el buen sentido, dice) hasta que comenzó su propio laboratorio y necesitaba un primer proyecto.

Los gusanos negros de California, los suaves y delgados cordones de un rojo surrealista como la carne en las tiendas de comestibles, a menudo viven en piscinas de temporada. Cuando los tiempos son buenos, el gusano es solo un gusano que se retuerce por sí solo. Cuando los tiempos son malos, el gusano debe convertirse en una burbuja, enredarse con cientos o miles de otros gusanos en una bola pegajosa y blanda. Y como una bola giratoria en movimiento, la burbuja del gusano puede moverse como una sola unidad, alejándose en zigzag de depredadores o factores estresantes.

“Todavía están trenzados y envueltos en esta unidad cohesiva que se arrastra”, dijo Chantal Nguyen, investigadora postdoctoral y física del Instituto BioFrontiers de la Universidad de Colorado Boulder.

Pero, ¿cómo llega el gusano y mantiene la burbuja? En un estudio reciente en la revista Fronteras en la físicaUn grupo de investigadores que incluye al Dr. Nguyen y al Dr. Bhamla ha descubierto los secretos de la capacidad de movimiento de un punto. Lo hicieron mediante la creación de un modelo informático de gusanos negros entrelazados de California.

“Fue muy impactante y muy impactante, pero también fue algo hermoso”, dijo Albert Kao, un becario postdoctoral que estudia el comportamiento grupal en el Instituto Santa Fe en Nuevo México, sobre los agujeros de gusano. Añadió que las simulaciones “allanan el camino para nuevos tipos de modelos para sistemas entrelazados similares”.

Hace mucho tiempo, la gente fue testigo de grupos de animales que se movían en masa y al unísono: una bandada de estorninos, un banco de peces, enjambre de mosquitosCabezas de metales pesados mosh. Pero pocas personas tuvieron el privilegio o el interés de notar las manchas de los gusanos.

La burbuja de gusano se comporta como un sólido y líquido, como una bola de masa o una bola de champú. Solo se necesitan unos 10 gusanos para formar una burbuja cohesiva. Un bloque de aproximadamente 100.000 gusanos se asemeja a un bloque de masa de pizza (roja). No existe un límite conocido para la cantidad de gusanos que pueden formar una burbuja, excepto quizás su imaginación.

Cuando Serena Ding, investigadora del Instituto Max Planck de Comportamiento Animal, vio por primera vez una imagen de manchas de lombrices negras, su mente se aceleró. “Me sorprendió al principio”, dijo el Dr. Ding, que no participó en el artículo. “Y luego me frustré, y luego me intrigó”.

El Dr. Ding, que estudia la oscilación en el muy estudiado nematodo Caenorhabditis elegans, describió las burbujas de C. elegans como “estrechamente entrelazadas, como un plato de espaguetis”. “Es muy parecido a los espaguetis que cayeron al suelo”, dijo, enfurruñada, en la llamada de Zoom. “C. elegans por ser elegante. Esos son simplemente … no”.

Pero fue precisamente este caótico lío de manchas negras de gusanos lo que capturó el corazón del Doctor Bhamla. Para él, las manchas se sienten como si la masa de pizza fluyera a través de los dedos. “Pero está formado por gusanos”, dijo. “Como una pesadilla cobrando vida”.

En febrero, el Dr. Bhamla y un grupo de investigadores describieron la dinámica de las bolas de gusano en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Para este artículo, Yasemin Ozkan Aydin, ahora ingeniero en robótica de la Universidad de Notre Dame, dirigió los experimentos. Cuando el Dr. Ozkan Aydin sacó a los gusanos del agua, me resbalé en misiones en solitario para volver a ellos. Si no pueden encontrar agua, exhalan, una maraña que les ha permitido sobrevivir fuera del agua 10 veces más que los gusanos individuales.

“La razón por la que se unen no es la bondad de sus corazones, sino el uso del resto de las personas para protegerse contra la tentación”, dijo Simon Garnier, biólogo del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, que no participó en la investigación. . .

El Dr. Özkan Aydin también descubrió que los agujeros de gusano se alejan colectivamente de factores estresantes como la luz y el calor. Una punta de gusano en una placa caliente se moverá hacia una sección más fría, y una punta de gusano se moverá bajo el reflector en forma de burbuja. Pero si la placa se calienta a unos 100 grados Fahrenheit, que es demasiado caliente para que sobrevivan los gusanos, la burbuja se separa rápidamente. En cantidades más pequeñas, la burbuja se impulsa por división del trabajo, con gusanos alargados que avanzan y los gusanos se enrollan y se menean en la parte posterior para reducir la fricción. Los puntos de gusanos grandes, que son difíciles de visualizar debido a la gran densidad de sus componentes, pueden moverse de formas más complejas.

Orit Peleg, física de la Universidad de Colorado y autora del nuevo artículo en Frontiers in Physics, echa un vistazo por primera vez a los puntos en una visita a Georgia Tech. Las manchas le recordaron a la Dra. Valge los polímeros biológicos con los que una vez trabajó, como el ADN, excepto las manchas que eran visibles a simple vista y estaban hechas de gusanos. Cuando el Dr. Peleg le mostró al Dr. Nguyen un video de gusanos resolviendo un laberinto, el Dr. Nguyen no necesitó más convencimiento para trabajar con los gusanos.

El Dr. Nguyen diseñó un modelo de simulación de gusanos negros individuales y dispersos, que incluye pequeños puntos de 20 gusanos idénticos. Cada gusano estaba representado por una serie de cuentas puntiagudas, capaces de doblarse y estirarse como un gusano real. El Dr. Nguyen introdujo una fuerza vinculante en el modelo que hizo que los gusanos modelo se pegaran en una burbuja bidimensional.

“Esto no es lo que hace el gusano real, sin embargo, todavía se reproduce visual y también cuantitativamente para el comportamiento puntual”, dijo la Dra. Kao de la Dra. Nguyen y sus colegas.

En los prototipos del modelo, los gusanos simulados no cooperaron, ya sea desenredarse del punto o quedarse en un lugar. La Dra. Nguyen manipuló la viscosidad de los gusanos y su empuje individual hasta que encontró un buen lugar donde la punta del gusano podía moverse como una sola al final.

El modelo nos muestra que “no hay una brecha obvia” entre los materiales vivos y no vivos, dijo el Dr. Peleg, y agregó que los investigadores esperan que el modelo inspire robots entrelazados hechos de materiales flexibles.

Los investigadores planean extender su modelo en tres dimensiones para obtener más información sobre cómo los gusanos se entrelazan, retuercen y trenzan juntos. El Dr. Garnier sugirió que esta ampliación podría responder a una de sus preguntas candentes sobre el punto: dónde quiere estar el gusano dentro.

El mejor lugar, dijo, podría estar lo suficientemente cerca de la superficie para apoderarse de los recursos, pero lo suficientemente profundo tierra adentro para que el gusano no sea la primera línea de defensa. “Los sistemas colectivos tienen que lidiar con estas compensaciones”, dijo. “Cuando somos demasiados y no hay suficiente pastel para todos, las cosas empiezan a ponerse feas”.

Afortunadamente, el laboratorio del Dr. Bhamla contiene decenas de millones de gusanos negros listos para reproducirse. La pandemia del coronavirus y la sequía han convertido a los gusanos en un producto candente, por lo que el laboratorio del Dr. Bhamla está creciendo por sí solo. Algunos días descubre una cadena trenzada de gusanos deslizándose por la pared en un intento de romper la protección.

Por la mañana, cuando los investigadores hacen clic en las luces del techo, todos los gusanos libres se disparan juntos en puntos hasta que se adaptan a la luz y se relajan. “Yo digo, ‘¿Qué era la fiesta allí cuando estaba tan oscuro y frío?”, Dijo el Dr. Bhamla. “No es difícil enamorarse de ellos”.