I vermi neri (Lumbriculus variegatus) sono lontani parenti dei lombrichi, misura fino a 10 cm di lunghezza. Vivono in paludi poco profonde, stagni, e paludi in Europa e Nord America, dove si nutrono di microrganismi e detriti. Per proteggersi dalla siccità, i vermi possono aggregarsi come impigliati, "blob" mutaforma composti da pochi a centinaia di individui. Proprio come sciami di api, zattere di formiche di fuoco, o stormi di storni, le macchie di blackworm possono mostrare un movimento collettivo "intelligente".

Ora, gli scienziati mostrano che un movimento collettivo efficace può emergere solo nei blob di blackworm quando le condizioni sono giuste, in particolare, quando c'è un equilibrio tra l'attività e "l'attaccamento" dei singoli vermi. Hanno recentemente pubblicato i loro risultati come open access sulla rivista Frontiere in fisica.

"Mentre i singoli vermi all'interno del blob devono aggrapparsi l'uno all'altro, devono anche essere accessibili all'esterno per continuare a ricevere informazioni dall'ambiente più ampio, " ha detto la prima autrice, la dott.ssa Chantal Nguyen, un ricercatore post-dottorato presso il BioFrontiers Institute dell'Università del Colorado a Boulder, NOI.

"Qual è il miglior equilibrio tra queste opposte esigenze, che consentirebbe ai vermi un livello ottimale di rilevamento e risposta all'ambiente nel suo insieme? Per trovare questo equilibrio, abbiamo fatto una serie di esperimenti su veri blackworms per creare un modello realistico di un blob di verme".

Trovare la giusta temperatura

Perché i blob di vermi sono importanti da studiare? La ragione sta proprio nella loro organizzazione sociale su più livelli.

Le interazioni tra i singoli vermi possono produrre inaspettati, nuove proprietà quando si muovono come un blob. Tali proprietà "emergenti" sono una caratteristica dei sistemi biologici, dalle proteine ​​agli organismi pluricellulari agli ecosistemi. Perciò, i blob non sono solo affascinanti di per sé, ma può anche servire da modello per sistemi simili troppo piccoli o troppo grandi per essere osservati facilmente, per esempio i filamenti di actina semiflessibili nel citoscheletro, ciglia, e flagelli delle cellule.

"I biopolimeri attivi e i filamenti di actina sono ottimi esempi dei cosiddetti "collettivi di materia attiva entangled, ' che sono un argomento caldo nella robotica e nella scienza dei materiali, " ha detto il co-autore Dr. M. Saad Bhamla, un assistente professore presso il Georgia Institute of Technology, ad Atlanta, NOI.

Per studiare la risposta dei blackworms ai cambiamenti ambientali, Nguyen e altri ricercatori hanno registrato il movimento dei singoli vermi neri in bagni d'acqua la cui temperatura è aumentata gradualmente da 12 a 34 ºC. Fino a 30 ºC, i vermi tendevano ad esplorare il bagno, cercando le sue mura e poi percorrendole. A temperature più elevate, dannoso per la loro fisiologia, i vermi rimasero per lo più fermi.

Testare un blob di worm digitale

I ricercatori hanno quindi simulato il comportamento individuale e collettivo dei vermi neri in un modello al computer, limitando i blob a sole due dimensioni per semplicità. Hanno programmato i vermi per comportarsi come molecole:respingersi contro attirarsi l'un l'altro a distanze molto ravvicinate contro distanze moderate, e non interagire a distanze maggiori. I vermi isolati sono stati programmati per esplorare di più a basse temperature. La flessibilità tra i loro segmenti corporei è stata impostata su moderata, con il risultato che i vermi modello si estendono a basse temperature ma si arrotolano a temperature più elevate.

I ricercatori mostrano che il movimento collettivo sostenuto delle macchie di blackworm può emergere solo quando c'è un sottile equilibrio tra l'"attaccamento" dei vermi e il loro movimento individuale, in modo che i blob rimangano insieme mentre si muovono per cercare i punti più freddi. Intorno a questo equilibrio ottimale, le macchie del modello si muovevano in media a una velocità di 1 mm/s, ma più lentamente per blob più grandi.

"Quando abbiamo cambiato i parametri, soprattutto l'attrazione tra i vermi e la forza dell'autopropulsione individuale, abbiamo osservato tre ampi stati comportamentali:uno in cui si verifica costantemente la locomozione collettiva, un altro dove le macchie cadono a pezzi, e infine uno in cui i vermi si aggrappano così fortemente l'uno all'altro che le macchie non possono muoversi, " ha detto il coautore Dr. Orit Peleg, un assistente professore di informatica presso il BioFrontiers Institute.

"I veri blackworms mostrano anche questi, il che significa che il nostro modello, nonostante la sua semplicità, cattura gran parte della complessità dell'organismo reale".

"Speriamo che i nostri risultati attuali possano essere applicati alla progettazione di nuovi sistemi robotici in cui singoli robot morbidi e flessibili possono impigliarsi e muoversi come un'unità. Un'altra possibile applicazione sarebbe nei "materiali viventi ingegnerizzati, ' come materiali da costruzione o tessuti, che sono composti da unità autonome che possono riorganizzarsi per la riparazione o per rispondere all'ambiente, " ha concluso Bhamla.