En la naturaleza, una mancha de gusano se parece a cualquier otra bola de barro que cuelga en el fondo de un estanque. Pero si pinchas una gota de gusano sin pretensiones, responderá de una manera que una bola de barro nunca lo haría, retorciéndose en una forma cursi que un pastafari podría confundir con algo divino.
Así es como Saad Bhamla descubrió su primera mancha de gusano, en un estanque de California. “Al pincharlo con un 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 el gusano 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, cuerdas suaves y delgadas tan surrealmente rojas como la carne de las tiendas de comestibles, a menudo viven en piscinas de temporada. Cuando los tiempos son buenos, un gusano es simplemente un gusano que se mueve por sí solo. Cuando los tiempos son malos, un gusano debe convertirse en una mancha, enredarse con cientos o miles de otros gusanos en una bola viscosa y retorcida. Y, como una bola de hilo animada, la mancha de gusano puede moverse como una unidad, alejándose de los depredadores o el estrés.
«Permanecen trenzados y retorcidos en esta unidad cohesiva que se arrastra», dijo Chantal Nguyen, asociada postdoctoral y física en el Instituto BioFrontiers de la Universidad de Colorado Boulder.
Pero, ¿cómo logra un gusano y mantiene la burbuja? En un estudio reciente publicado en la revista Frontiers in Physics, un grupo de investigadores que incluía al Dr. Nguyen y al Dr. Bhamla desentrañó los secretos de la capacidad de movimiento de la burbuja. Lo hicieron mediante la creación de un modelo informático de gusanos negros de California enredados.
“Fue bastante horrible y bastante impactante, pero también algo hermoso”, dijo Albert Kao, un becario postdoctoral que estudia el comportamiento colectivo en el Instituto Santa Fe en Nuevo México, de las manchas de gusanos. La simulación, agregó, «abre un camino para nuevos tipos de modelos para sistemas entrelazados de manera similar».
Desde tiempos inmemoriales, la gente ha sido testigo de grupos de animales que se mueven colectivamente y al unísono: bandadas de estorninos, bancos de peces, enjambres de mosquitos y cabezas de metales pesados mosh. Pero pocas personas han tenido el privilegio o el interés de observar las manchas de gusanos.
Una gota de gusano se comporta como un sólido y un líquido, como una bola de masa o una bola de champú. Solo se necesitan alrededor de 10 gusanos para formar una mancha coherente. Una gota de alrededor de 100.000 gusanos se asemeja a un trozo de masa de pizza (roja). No existe un límite conocido para la cantidad de gusanos que pueden formar una mancha, excepto, quizás, su imaginación.
Cuando Serena Ding, investigadora del Instituto Max Planck de Comportamiento Animal, vio por primera vez una foto de manchas de gusanos negros, su mente se aceleró. “Primero me sorprendió”, dijo el Dr. Ding, que no participó en el artículo. «Y luego me asusté, y luego me fascinó».
El Dr. Ding, que estudia las manchas en el nematodo Caenorhabditis elegans, muy estudiado, describió sus manchas de C. elegans como «fuertemente superpuestas, como un plato de fideos espaguetis». Las manchas de gusanos negros «son más como espaguetis que se caen al suelo», dijo frunciendo el ceño en una llamada de Zoom. «C. elegans se llama así por ser elegante. Estos son simplemente … no «.
Pero fue precisamente esta salpicadura desordenada de gotas de gusano negro lo que capturó el corazón del Dr. Bhamla. Para él, las manchas se sienten como masa de pizza fluyendo entre los dedos. «Pero está compuesto de gusanos», dijo. «Como una pesadilla hecha realidad».
En febrero, el Dr. Bhamla y un grupo de investigadores describieron la dinámica de las manchas de gusanos en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Para ese artículo, Yasemin Ozkan-Aydin, quien ahora es ingeniero en robótica en la Universidad de Notre Dame, dirigió los experimentos. Cuando el Dr. Ozkan-Aydin sacó a los gusanos del agua, se deslizaron en misiones individuales para volver a él. Si no podían encontrar agua, formaban gotas, un enredo que les permitía sobrevivir fuera del agua 10 veces más que los gusanos individuales.
«La razón por la que están reunidos no es por la bondad de sus corazones, sino por usar al resto de las personas para protegerse contra la desecación», dijo Simon Garnier, biólogo del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey que no participó en la investigación. .
El Dr. Ozkan-Aydin también descubrió que las gotas de gusanos se alejaban colectivamente de factores estresantes como la luz y el calor. Una mancha de gusano en un plato caliente se moverá hacia una sección más fría, y una mancha de gusano debajo de un foco se moverá como una mancha. Pero si la placa se calienta a unos 100 grados Fahrenheit, demasiado caliente para que sobrevivan los gusanos, la mancha se desenreda rápidamente. En cantidades más pequeñas, la mancha se impulsa dividiendo el trabajo, con gusanos extendidos y tirando de gusanos en la parte delantera y enrollados y meneándose en la espalda, lo que reduce la fricción. Las manchas de gusanos más grandes, que son más 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 de Frontiers in Physics, vio por primera vez las manchas en una visita a Georgia Tech. Las manchas le recordaron a la Dra. Peleg los polímeros biológicos con los que una vez trabajó, como el ADN, excepto que las manchas eran visibles a simple vista y estaban hechas de gusanos. Cuando el Dr. Peleg le mostró al Dr. Nguyen un video de una gota de gusano resolviendo un laberinto, el Dr. Nguyen no necesitó más convencimiento para trabajar con los gusanos.
El Dr. Nguyen diseñó un modelo simulado de gusanos negros individuales y en forma de gotas, que incluía pequeñas manchas de 20 gusanos idénticos. Cada gusano estaba representado por una serie de cuentas ensartadas, capaces de doblarse y estirarse como un gusano real. El Dr. Nguyen introdujo una fuerza de unión en el modelo que incitó a los gusanos modelo a adherirse juntos en una mancha en dos dimensiones.
“No es lo que está haciendo el gusano real y, sin embargo, aún reproducen visual y cuantitativamente los comportamientos de la mancha”, dijo la Dra. Kao sobre la Dra. Nguyen y sus colegas.
En los primeros prototipos del modelo, los gusanos simulados no cooperaron, ya sea desenredarse de la mancha o acurrucarse en un solo lugar. La Dra. Nguyen jugueteó con la pegajosidad de los gusanos y la fuerza de su propulsión individual hasta que encontró un punto óptimo donde la gota de gusano finalmente podría moverse como una.
El modelo nos muestra que «no existe esta clara división» entre materiales vivos y materiales inertes, dijo el Dr. Peleg, y agregó que los investigadores esperan que el modelo pueda inspirar robots enredados hechos de materiales flexibles.
Los investigadores planean expandir su modelo a tres dimensiones para obtener más información sobre cómo los gusanos se entrelazan, retuercen y trenzan. El Dr. Garnier sugirió que esta expansión podría responder a una de sus preguntas candentes sobre la mancha: dónde dentro de la mancha querría más estar un gusano.
El mejor lugar, reflexionó, podría estar lo suficientemente cerca de la superficie para agarrar recursos, pero lo suficientemente profundo como para que el gusano no sea la primera línea de defensa. “Los sistemas colectivos tienen que lidiar con estas compensaciones”, dijo. «Cuando somos demasiados, no hay suficiente pastel para todos, las cosas empiezan a ponerse feas».
Afortunadamente, el laboratorio del Dr. Bhamla tiene decenas de millones de gusanos negros que están listos para formar gotas. La pandemia de coronavirus y la sequía convirtieron a los gusanos en un producto candente, por lo que el laboratorio del Dr. Bhamla cultiva el suyo. Algunos días descubre una cadena trenzada de gusanos deslizándose por una pared en un intento de fuga.
Por la mañana, cuando los investigadores encienden las luces del techo, todos los gusanos que se mueven libremente se escabullen juntos en gotas hasta que se ajustan a la luz y se relajan. “Yo digo, ‘¿Qué fiesta estaba teniendo lugar allí cuando estaba oscuro y hacía frío?’”, Dijo el Dr. Bhamla. «No es difícil enamorarse de ellos».