Como qualquer um que já desenrolou um cordão de luzes natalinas ou desembaraçou uma mecha de cabelo emaranhado sabe, desfazer um nó de fibras leva muito mais tempo do que emaranhá-lo em primeiro lugar.

Isso não é assim para uma espécie astuta de verme da Costa Oeste.

Encontrados em pântanos, lagoas e outras águas rasas, os vermes negros da Califórnia ( Lumbriculus variegatus ) se torcem e se enrolam aos milhares, formando bolas bem enroladas durante vários minutos. Diante de um predador ou outra ameaça percebida, os vermes podem se desembaraçar instantaneamente, desmontando a confusão em milissegundos.

Perplexos com a forma como os wigglers podem desembaraçar nós tão elaborados tão rapidamente, os matemáticos do MIT se uniram a biofísicos da Georgia Tech para estudar o comportamento nodoso dos vermes. Por meio de experimentos e modelagem matemática, a equipe identificou o mecanismo pelo qual os vermes se enroscam e se desenrolam rapidamente. Suas descobertas , publicadas hoje na Science , podem inspirar projetos para materiais e fibras rápidos, reversíveis e de automontagem.

“Podemos nos inspirar nesses vermes para pensar em como podemos manipular sistemas poliméricos e filamentosos”, diz Vishal Patil, um pós-doutorando da Universidade de Stanford, que desenvolveu um modelo matemático do comportamento dos vermes enquanto estudante de pós-graduação no Departamento de Matemática do MIT. . “Pode-se pensar em criar fibras tecidas ativas que podem se reorganizar quando estão entupidas ou um robô inteligente que pode mudar sua compreensão ao emaranhar e desembaraçar.”

Os coautores de Patil no estudo são Jörn Dunkel, professor de matemática no MIT, e coprimeiro autor Harry Tuazon, junto com Emily Kaufman, Tuhin Chakrabortty, David Qin e M. Saad Bhamla na Georgia Tech.

O grupo de Bhamla estuda vermes, insetos e outros organismos vivos e como seu comportamento pode inspirar o design de novos dispositivos e sistemas robóticos. Tuazon, um estudante de doutorado no laboratório, estava observando vermes negros da Califórnia nadando em um aquário de laboratório quando foram atingidos pelas notáveis habilidades de emaranhar e desemaranhar dos vermes.

O grupo já havia descoberto que, na natureza, os vermes se enroscam como um mecanismo de proteção e defesa. Um grande nó de vermes pode impedir que os vermes interiores sequem em condições de seca. Uma bola de vermes também pode se mover como uma, rastejando coletivamente ao longo do fundo de um lago ou lagoa. Quando sentem um predador, os vermes podem se desembaraçar em milissegundos, dispersando-se em várias direções. 

Querendo saber o que os vermes poderiam estar fazendo para sair de tais configurações intrincadas, Bhamla lembrou um estudo  de Dunkel e seu grupo no MIT. Nesse trabalho, os matemáticos criaram um modelo que prevê a estabilidade de um nó, com base nas torções e cruzamentos de vários segmentos nodosos.

“Eu vi esse estudo e pensei, meu Deus, esses princípios matemáticos poderiam ser aplicados a minhocas”, diz Bhamla, que procurou Dunkel e Patil para ver se eles poderiam lançar uma visão matemática sobre os nós das minhocas. Bhamla também enviou aos matemáticos alguns vídeos feitos no laboratório dos vermes emaranhados.

“Quando ele nos mostrou esses vídeos, especialmente dos vermes se desembaraçando, ficamos viciados”, diz Patil. “Sabemos intuitivamente que é muito difícil desembaraçar as fibras. O fato de que os vermes foram capazes de resolver isso mostrou que havia algo interessante acontecendo com esses emaranhados que queríamos resolver matematicamente”.

Dunkel e Patil adaptaram seus códigos matemáticos sobre a estabilidade do nó ao emaranhamento de vermes, primeiro estudando o comportamento de um único verme. Eles assistiram às gravações de Tuazon de um verme em uma placa de Petri com água e observaram que, em resposta a uma ameaça percebida, como um pulso de luz ultravioleta, o verme repentinamente deu uma volta, girando para a esquerda, depois rapidamente para a direita, repetidamente.

“Aquele movimento recorrente em oito nos sugeriu um mecanismo de desenrolamento que poderia operar para desembaraçar de um nó”, diz Patil.

Os matemáticos então estudaram vídeos de dois vermes para ver se algum padrão em seu movimento garantia que o par se emaranharia.

“Se você apenas juntar duas fibras, não fica claro se elas se entrelaçarão”, diz Patil. “Tanto o emaranhamento quanto o desembaraço eram dinâmicas que queríamos descompactar.”

Surpreendentemente, eles descobriram que os vermes se emaranhavam movendo-se no mesmo movimento helicoidal do desembaraço. A única diferença parecia ser que os dois vermes emaranhados girando em uma direção por um longo período de tempo antes de mudar para o loop na outra direção, enquanto o único verme mudava de direção rapidamente, girando para a esquerda, depois para a direita e vice-versa.

Os cientistas suspeitaram que os vermes se emaranhavam e desembaraçavam com base na rapidez com que mudavam de direção. A equipe incorporou esses novos parâmetros de movimento helicoidal e a velocidade de troca de loop em seu modelo de nó existente, que eles usaram para simular o comportamento de centenas de vermes gerados por computador.

“É um modelo mínimo, no qual cada verme basicamente executa seu próprio programa de movimentos helicoidais e com que rapidez eles mudam de direção”, diz Dunkel. “Você pode pensar neles como tendo duas marchas: uma marcha lenta, que permite que se emaranhem, e uma marcha rápida, que permite que se desembaracem.”

A equipe simulou vários cenários de fibras semelhantes a minhocas e descobriu que aquelas que eram mais lentas para mudar de direção de loop estavam realmente emaranhadas em grandes bolas. Fibras que mudavam rapidamente de uma direção para outra eram capazes de se desembaraçar de um nó.

Quando compararam suas simulações com imagens de ultrassom de vermes reais tiradas na Georgia Tech, o grupo descobriu que o padrão de movimentos em ambos era o mesmo. A descrição matemática de Vishal e Dunkel, envolvendo movimento helicoidal e velocidade de loop, previu com precisão o emaranhamento dos vermes e o rápido desembaraço.

“Percebemos essa dança simples”, diz Bhamla. “O circuito biológico é o mesmo. Mas é como se a música de dança tivesse mudado, de uma valsa lenta para o hip-hop de Elvis, e de repente eles se desfazem.”

“Este estudo é sobre o comportamento dos vermes, mas eles podem ser um sistema modelo para engenharia de matéria filamentosa”, diz Patil. “Como os worms usam esse estado emaranhado é único, mas podemos extrair princípios de design e sistemas de engenharia com base em como agora entendemos o funcionamento dos emaranhados”.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation e pela Sloan Foundation.