Investigadores descubren las matemáticas extrañas detrás de las gotas de gusano ‘ultrarrápidas’ : Heaven32

A pesar de nuestra habilidad para hacer nudos en todo, desde cordones de zapatos hasta rayos láser, todavía hay mucho que los humanos podemos aprender de un pequeño gusano inclinado enredado.

Comúnmente conocido como el gusano negro de California, el diminuto invertebrado Lumbriculus variegatus ha compartido gentilmente algunos de sus secretos en un nuevo estudio que examina las matemáticas detrás de sus increíbles nudos vivos.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia en los EE. UU. han estudiado gusanos negros durante años, intrigados por su capacidad de movimiento ultrarrápido y comportamiento colectivo, es decir, cómo forman nudos masivos, o “manchas”, con miles de gusanos que también pueden dispersarse en milisegundos. .

En el nuevo estudio, investigadores de Georgia Tech y el Instituto de Tecnología de Massachusetts utilizaron ultrasonido para arrojar nueva luz sobre las manchas de gusanos, revelando detalles que podrían informar el diseño de robots con habilidades similares.

“Queríamos entender la mecánica exacta detrás de cómo los gusanos cambian su dinámica de movimiento para lograr enredarse y desenredarse ultrarrápidamente”. dice

coautor Saad Bhamla, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular en Georgia Tech.

“Además, estos no son solo filamentos típicos como cuerdas, cables de Ethernet o espaguetis: son enredos vivos y activos que están fuera de equilibrio, lo que agrega una capa fascinante a la pregunta”, dijo. agrega.

Los gusanos negros salvajes viven en América del Norte y Eurasia, donde habitan aguas poco profundas en los bordes de estanques, lagos y pantanos, y comen plantas muertas y microorganismos en el lodo.

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Los individuos varían en longitud de aproximadamente 4 a 8 centímetros (1,5 a 3 pulgadas), pero también pueden enredarse intrincadamente, formando una masa de gusanos vivos con hasta 50,000 individuos.

Blobbing les ayuda a sobrevivir en condiciones adversas, como temperaturas extremas o falta de agua, que matarían a los gusanos solitarios. Una gota de gusano puede comportarse como un sólido o un fluido, según ha descubierto una investigación, e incluso puede demostrar la toma de decisiones colectiva.

Y aunque los gusanos pueden pasar varios minutos entrelazándose, pueden separarse en solo milisegundos.

“Me sorprendió cuando apunté una luz ultravioleta hacia las manchas de gusanos y se dispersaron tan explosivamente”. dice El bioingeniero de George Tech, Harry Tuazon, estudiante graduado en el laboratorio de Bhamla.

“Pero para comprender esta maniobra compleja y fascinante, comencé a realizar experimentos con solo unos pocos gusanos”.

gota o nudo de gusanos
Una masa de gusanos desenredándose a velocidad ultrarrápida. (Instituto de Tecnología de Georgia)

Después de ver los videos de Tuazon de la rápida dispersión de los gusanos de una gota, el bioingeniero Vishal Patil (ahora en la Universidad de Stanford) y sus colegas aprovecharon la oportunidad de formar un equipo y estudiarlos.

“Los nudos y los enredos son un área fascinante donde la física y la mecánica se encuentran con algunas matemáticas muy interesantes”, Patil dice. “Estos gusanos parecían un buen campo de juego para investigar los principios topológicos en los sistemas formados por filamentos”.

Patil notó en un video que un gusano se movía en forma de ocho, una “marcha helicoidal” que se conoce en los gusanos negros desde hace décadas. Patil, sin embargo, se preguntó si el movimiento también podría ser parte del secreto de las rupturas ultrarrápidas de blobs.

Los investigadores esperaban explicar matemáticamente una gota de gusano, modelando cómo los gusanos se enredan y se dispersan, pero necesitarían más datos. Y registrar imágenes precisas de la estructura de una mancha resultó difícil.

“Capturar la estructura interna de una gota de gusano vivo fue un verdadero desafío”, Tuazon dice. “Probamos todo tipo de técnicas de imagen durante meses, incluidos rayos X, microscopía confocal y tomografía, pero ninguna de ellas nos dio la resolución en tiempo real que necesitábamos”.

Finalmente, los investigadores encontraron una técnica que funcionó: el ultrasonido. Inmovilizaron una gota de gusano en gelatina no tóxica y usaron una máquina de ultrasonido comercial para mirar dentro.

Bhamla, Tuazon y otros investigadores de Georgia Tech analizaron los videos de ultrasonido resultantes y luego trazaron unos 46 000 puntos de datos para ayudar a Patil y Dunkel a estudiar la mecánica y la topología de las manchas de gusanos.

Usaron estos datos para crear un modelo matemático para el enredo y desenredo del gusano negro, prediciendo que cada gusano debería entrelazarse con al menos otros dos a medida que se fusionan. También sugirió que los pasos helicoidales son clave para las rápidas dispersiones.

Las visualizaciones de su modelo coinciden estrechamente con los videos reales de gusanos enredándose y desenredándose, informan los investigadores, que muestran cómo los movimientos helicoidales de los gusanos les permiten enredarse rápidamente de una manera que establece un mecanismo de liberación rápida, que se basa en movimientos similares.

“Lo sorprendente es que estas estructuras enredadas son extremadamente complicadas”, Patil dice. “Son estructuras desordenadas y complejas, pero estas estructuras de gusanos vivos pueden manipular estos nudos para funciones cruciales”.

El estudio de los nudos de gusanos podría tener muchas aplicaciones prácticas, señalan los investigadores, como filamentos sintéticos o robots que cambian de forma que pueden cambiar las propiedades a pedido.

“Imagínese un material suave, no tejido, hecho de millones de filamentos similares a hilos que pueden enredarse y desenredarse a voluntad, formando un vendaje adhesivo inteligente que cambia de forma a medida que sana una herida, o un material de filtración inteligente que altera la topología de los poros para atrapar partículas de diferentes tamaños. o propiedades químicas”, Bhamla dice. “Las posibilidades son infinitas.”

El estudio fue publicado en Ciencia.

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