Blackworms (Lumbriculus variegatus) zijn verre verwanten van regenwormen, met een lengte tot 10 cm. Ze leven in ondiepe moerassen, vijvers, en moerassen in Europa en Noord-Amerika, waar ze zich voeden met micro-organismen en puin. Om zichzelf te beschermen tegen droogte, zwarte wormen kunnen aggregeren als verstrikt, vormveranderende "blobs" bestaande uit enkele tot honderden individuen. Net als zwermen bijen, vlotten van vuurmieren, of zwermen spreeuwen, blackworm blobs kunnen "intelligente" collectieve beweging laten zien.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers laten zien dat effectieve collectieve beweging alleen kan ontstaan ​​in klodders zwarte wormen als de omstandigheden precies goed zijn - in het bijzonder, wanneer er een evenwicht is tussen de activiteit en "aanhankelijkheid" van individuele blackworms. Onlangs publiceerden ze hun resultaten als open access in het tijdschrift Grenzen in de natuurkunde.

"Terwijl individuele wormen in de klodder aan elkaar moeten kleven, ze moeten ook voor buiten toegankelijk zijn om informatie uit de wijdere omgeving te blijven ontvangen, " zei eerste auteur Dr. Chantal Nguyen, een postdoctoraal onderzoeker aan het BioFrontiers Institute van de Universiteit van Colorado in Boulder, ONS.

"Wat is de beste balans tussen deze tegengestelde eisen, waarmee de wormen de omgeving als één geheel optimaal kunnen waarnemen en erop kunnen reageren? Om dit evenwicht te vinden, we hebben een reeks experimenten gedaan met echte blackworms om een ​​realistisch model van een wormklodder te maken."

De juiste temperatuur vinden

Waarom zijn wormklodders belangrijk om te bestuderen? De reden ligt juist in hun sociale organisatie op meerdere niveaus.

Interacties tussen individuele blackworms kunnen onverwachte, nieuwe eigenschappen wanneer ze als een klodder bewegen. Dergelijke "opkomende" eigenschappen zijn een kenmerk van biologische systemen, van eiwitten tot meercellige organismen tot ecosystemen. Daarom, blobs zijn niet alleen fascinerend op zichzelf, maar kan ook dienen als model voor soortgelijke systemen die te klein of te groot zijn om gemakkelijk waar te nemen, bijvoorbeeld de semi-flexibele actinefilamenten in het cytoskelet, trilhaartjes, en flagella van cellen.

"Actieve biopolymeren en actinefilamenten zijn geweldige voorbeelden van zogenaamde 'verstrengelde actieve materie-collectieven', ' die een hot topic zijn in robotica en materiaalkunde, " zei co-auteur Dr. M. Saad Bhamla, een assistent-professor aan het Georgia Institute of Technology, in Atlanta, ONS.

Om de reactie van zwarte wormen op veranderingen in de omgeving te bestuderen, Nguyen en andere onderzoekers registreerden de beweging van individuele zwarte wormen in waterbaden waarvan de temperatuur geleidelijk opliep van 12 tot 34 ºC. Tot 30 ºC, de wormen hadden de neiging om het bad te verkennen, zijn muren zoekend en er dan langs gaan. Bij hogere temperaturen, schadelijk voor hun fysiologie, wormen bleven meestal stil.

Een digitale worm-blob testen

De onderzoekers simuleerden vervolgens het individuele en collectieve gedrag van blackworms in een computermodel, het beperken van blobs tot slechts twee dimensies voor de eenvoud. Ze programmeerden de wormen om zich als moleculen te gedragen:afstotend versus elkaar aantrekken op zeer korte afstanden versus middelmatige afstanden, en geen interactie op grotere afstanden. Geïsoleerde wormen waren geprogrammeerd om meer te verkennen bij lage temperaturen. De flexibiliteit tussen hun lichaamssegmenten was ingesteld op matig, waardoor de modelwormen zich uitstrekken bij lage temperaturen, maar oprollen bij hogere temperaturen.

De onderzoekers laten zien dat aanhoudende collectieve beweging van zwarte wormklodders alleen kan ontstaan ​​als er een goed evenwicht is tussen de "aanhankelijkheid" van de wormen en hun individuele beweging, zodat de klodders bij elkaar blijven terwijl ze bewegen om koudere plekken te zoeken. Rond deze optimale balans, modelblobs bewogen met een snelheid van gemiddeld 1 mm/sec, maar langzamer voor grotere blobs.

"Toen we de parameters veranderden, vooral de aantrekkingskracht tussen wormen en de kracht van individuele zelfaandrijving, we observeerden drie brede gedragstoestanden:een waarbij collectieve voortbeweging consequent plaatsvindt, een ander waar klodders uit elkaar vallen, en tenslotte een waar wormen zo sterk aan elkaar kleven dat klodders niet kunnen bewegen, " zei co-auteur Dr. Orit Peleg, een assistent-professor informatica aan het BioFrontiers Institute.

"Echte zwarte wormen laten dit ook zien, wat betekent dat ons model - ondanks zijn eenvoud - veel van de complexiteit van het echte organisme vastlegt."

"We hopen dat onze huidige resultaten kunnen worden toegepast op het ontwerp van nieuwe robotsystemen waar individuele zachte en flexibele robots als een eenheid kunnen verstrengelen en bewegen. Een andere mogelijke toepassing zou zijn in 'engineered living materials', ' zoals bouwmaterialen of stoffen, die zijn samengesteld uit autonome eenheden die zichzelf kunnen reorganiseren voor reparatie of om te reageren op de omgeving, ’ concludeerde Bhamla.