50.000 gusanos enredados en una bola se deshacen en una explosión cuando aparece un depredador

Los gusanos negros de California contribuyen a las matemáticas y la física de hacer nudos al demostrar movimientos de torsión que les ayudan a escapar de una bola de gusano enredada.

Cualquiera que haya tenido que lidiar con auriculares desordenados conoce la dificultad de desenredar cables enredados. Sin embargo, un nudo apretado no es nada para un gusano negro de California. Estos pequeños gusanos se retuercen por miles para formar masas apretadas que recuerdan a un bocado de espagueti retorciéndose. Si bien estos enredos tardan unos minutos en formarse, los gusanos negros entrelazados pueden liberarse en cuestión de milisegundos.

Ahora los científicos finalmente han aclarado cómo estos artistas del escape sin piernas utilizan sólo una simple colección de músculos y neuronas para deslizarse sin problemas fuera de enredos. "Pensamos que si los gusanos pueden resolver este problema, nosotros también podemos hacerlo", dice Vishal Patil, matemático aplicado de la Universidad de Stanford. En un estudio publicado hoy en la revista Science, Patil y sus colegas utilizaron simulaciones matemáticas para identificar los movimientos que utilizan los gusanos negros para desenredarse rápidamente.

Con sólo un par de centímetros de largo, los gusanos negros de California (Lumbriculus variegatus) son fáciles de pasar por alto. Sin embargo, estos gusanos acuáticos, que son comida común para los peces de acuario, ejemplifican la fuerza en números. Para conservar su humedad o mantener su temperatura, entre cinco y 50.000 gusanos negros se entremezclan para formar masas retorcidas que parecen sacadas de una característica de una criatura. Si bien estos enredos están apretados, la primera señal de un escarabajo buceador depredador hará que los gusanos carnosos se retuerzan en todas direcciones.

Harry Tuazon, ahora doctor en bioingeniería. Estudiante del Instituto de Tecnología de Georgia, vislumbró esta respuesta casi instantánea cuando observó gusanos negros retorciéndose sobre una placa de Petri en el laboratorio. "Apunté con una luz ultravioleta hacia una bola de gusanos y de repente explotó", dice. "Fue fascinante".

Tuazon se enamoró de estas bolas de gusanos, que se deshicieron en unas pocas decenas de milisegundos, una fracción de un parpadeo. Tomó videos con microscopio de los movimientos de gusanos individuales antes de agregar gradualmente más animales a la mezcla para aumentar la complejidad de las bolas. Para desenredar la física detrás de estas redes de gusanos, se asoció con Patil, entonces Ph.D. Estudiante del Instituto Tecnológico de Massachusetts especializado en geometría de nudos y otros sistemas complejos.

Patil notó algo interesante cuando vio videos de microscopio que Tuazon había filmado de un solo gusano respondiendo a una pequeña descarga eléctrica. A medida que el gusano reaccionaba a los estímulos, movía su cabeza en el sentido de las agujas del reloj antes de invertir su rumbo y girar en el sentido contrario a las agujas del reloj en un movimiento repetido. Esto creó un patrón en forma de ocho conocido como onda helicoidal alterna.

Para crear modelos matemáticos precisos de la marcha helicoidal de los gusanos, Patil también necesitaba ver cómo se movían los gusanos individuales dentro de los enredos. Esto resultó difícil para Tuazon porque las bolas de gusanos eran sorprendentemente impenetrables. Los gusanos fueron sumergidos en agua, por lo que las radiografías no tuvieron éxito. Las tomografías microcomputadas sólo ofrecieron vislumbres de baja resolución. Finalmente, Tuazon determinó que la mejor apuesta del equipo era la acertada. Usó una máquina de ultrasonido para crear imágenes de un grupo de gusanos vivos que se colocaron dentro de gelatina.

Las imágenes de ultrasonido permitieron a los investigadores trazar más de 46.000 puntos de datos sobre los movimientos de los gusanos individuales, que estaban constantemente en contacto con otros gusanos dentro del revoltijo que se retorcía. Patil y sus colegas crearon modelos matemáticos de los movimientos de los gusanos y los ejecutaron a través de simulaciones tridimensionales de los enredos.

Los investigadores descubrieron que emplear el movimiento de marcha helicoidal alterno permitía a los gusanos desenredarse sin problemas. También descubrieron que un movimiento ligeramente alterado, en el que los invertebrados giraban en espiral principalmente en una dirección, ayudaba a crear los enredos. "Si pasa más tiempo enrollando en una dirección antes de cambiar a la otra dirección, se produce un comportamiento de enredo", dice Patil. "Si el gusano cambia rápidamente entre girar en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj, se obtiene un comportamiento de desenredado".

Según Eleni Panagiotou, matemática de la Universidad Estatal de Arizona, que estudia los efectos de los entrelazamientos en los sistemas físicos, la versatilidad de este movimiento permite a los gusanos afinar sus entrelazamientos. "Los gusanos negros de California [exhiben] este umbral óptimo en el que pueden enredarse firmemente y desenredarse rápidamente", dice Panagiotou, que no participó en el nuevo estudio pero escribió un artículo de perspectiva relacionado en Science. Si se retuercen demasiado, la maraña se vuelve demasiado apretada y los gusanos pierden su capacidad de escapar. Si no se tuercen lo suficiente, no se formará el enredo protector.

Ella cree que movimientos similares pueden ayudar a desenredar una serie de nudos complicados, que son omnipresentes tanto en la naturaleza como en el mundo artificial. Por ejemplo, los filamentos enredados se encuentran naturalmente en todo, desde redes de raíces nudosas hasta hebras de ADN fuertemente enrolladas. Los seres humanos han utilizado durante mucho tiempo los enredos para fabricar cuerdas y tejer telas. "Los investigadores no sólo explican lo que la naturaleza está haciendo en estos gusanos, sino que también crean un mapa de posibilidades en otros sistemas y contextos", dice Panagiotou.

El equipo cree que los movimientos de estos gusanos posiblemente puedan ayudar a los investigadores a programar filamentos en forma de cuerdas en sistemas robóticos blandos para que cambien de forma activamente. Esto podría crear vendajes flexibles que cambien de forma a medida que las heridas sanan o filtros de agua que puedan ajustarse para filtrar ciertas partículas.

Patil cree que la prueba está en la masa de gusanos. "Estos gusanos nos dan los principios generales detrás de enredar y desenredar y potencialmente una caja de herramientas para manipular otros sistemas", dice. "No es sólo un modelo matemático porque sabemos que los gusanos pueden hacerlo".

Jack Tamisiea es un periodista científico radicado en Washington, DC, que cubre historia natural y el medio ambiente. Siga a Tamisiea en Twitter @jack_tamisiea

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