50.000 vermi aggrovigliati in una palla si dipanano in un'esplosione esplosiva quando appare un predatore

I vermi neri della California danno un contributo alla matematica e alla fisica della legatura dei nodi dimostrando movimenti di torsione che li aiutano a sfuggire a una palla di vermi aggrovigliata

Chiunque sia alle prese con le cuffie alla rinfusa conosce la difficoltà di districare i cavi aggrovigliati. Tuttavia, un nodo stretto non è nulla per un verme nero della California. Questi minuscoli vermi si attorcigliano insieme a migliaia per formare macchie fitte che ricordano una forchettata di spaghetti che si dimenano. Mentre questi grovigli impiegano pochi minuti per formarsi, i vermi neri intrecciati possono divincolarsi in pochi millisecondi.

Ora gli scienziati hanno finalmente capito come questi artisti della fuga senza gambe usano solo un semplice insieme di muscoli e neuroni per scivolare senza problemi fuori dagli stretti grovigli. "Abbiamo pensato che se i vermi possono risolvere questo problema districato, potremmo farlo anche noi", afferma Vishal Patil, matematico applicato alla Stanford University. In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Science, Patil e i suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni matematiche per individuare i movimenti che i vermi neri usano per districarsi rapidamente.

Con una lunghezza di appena un paio di centimetri, i vermi neri della California (Lumbriculus variegatus) sono facili da trascurare. Eppure questi vermi acquatici, che sono larve comuni per i pesci d’acquario, esemplificano la forza del numero. Per conservare l'umidità o mantenere la temperatura, da cinque a 50.000 vermi neri si mescolano per formare macchie contorte che sembrano uscire dalla caratteristica di una creatura. Anche se questi grovigli sono stretti, il primo segno di uno scarabeo subacqueo predatore farà sì che i vermi carnosi si dimenino in tutte le direzioni.

Harry Tuazon, ora dottore di ricerca in bioingegneria. Uno studente del Georgia Institute of Technology, ha intravisto questa risposta quasi istantanea quando ha osservato dei vermi neri che si dimenavano su una capsula di Petri in laboratorio. "Ho puntato una luce UV verso una palla di vermi e all'improvviso è esplosa", dice. "Era ipnotizzante."

Tuazon si innamorò di queste palline di vermi, che si disfarono in poche decine di millisecondi, una frazione di un battito di ciglia. Ha realizzato video al microscopio dei movimenti dei singoli vermi prima di aggiungere gradualmente altri animali alla miscela per aumentare la complessità delle palline. Per districare la fisica dietro queste reti di vermi, ha collaborato con Patil, allora Ph.D. studente del Massachusetts Institute of Technology specializzato nella geometria dei nodi e altri sistemi complessi.

Patil ha notato qualcosa di interessante quando ha guardato i video al microscopio che Tuazon aveva girato di un singolo verme che rispondeva a una piccola scossa elettrica. Quando il verme reagiva agli stimoli, muoveva la testa in senso orario prima di invertire la rotta e girare in senso antiorario con un movimento ripetuto. Ciò ha creato uno schema a forma di otto noto come onda elicoidale alternata.

Per creare modelli matematici accurati dell'andatura elicoidale dei vermi, Patil aveva anche bisogno di vedere come i singoli vermi si muovevano all'interno dei grovigli. Ciò si è rivelato difficile per Tuazon perché le sfere del verme erano sorprendentemente impenetrabili. I vermi erano immersi nell'acqua, quindi le radiografie non hanno avuto successo. Le scansioni della tomografia microcomputerizzata offrivano solo scorci a bassa risoluzione. Alla fine, Tuazon ha stabilito che la scommessa migliore per la squadra era valida. Ha utilizzato una macchina ad ultrasuoni per creare immagini di un gruppo di vermi viventi collocati all'interno della gelatina.

Le immagini ad ultrasuoni hanno permesso ai ricercatori di tracciare più di 46.000 punti di dati sui movimenti dei singoli vermi, che erano costantemente in contatto con altri vermi all'interno del contorto miscuglio. Patil e i suoi colleghi hanno creato modelli matematici dei movimenti dei vermi e li hanno eseguiti attraverso simulazioni tridimensionali dei grovigli.

I ricercatori hanno scoperto che l'impiego del movimento elicoidale alternato permetteva ai vermi di districarsi senza problemi. Hanno anche scoperto che un movimento leggermente alterato, in cui gli invertebrati giravano per lo più in una direzione, aiutava a creare i grovigli. "Se impiega più tempo ad avvolgersi in una direzione prima di passare all'avvolgimento nell'altra direzione, si ottiene il comportamento di aggrovigliamento", afferma Patil. "Se il verme passa rapidamente dall'avvolgimento in senso orario a quello antiorario, si ottiene un comportamento districante."