Крошечные калифорнийские черные черви тысячами запутываются, образуя шарообразные сгустки, которые позволяют им выполнять широкий спектр биологических функций. Но, что самое поразительное, в то время как черви запутываются в течение нескольких минут, они могут распутаться всего за миллисекунды, убегая при первых признаках угрозы со стороны хищника.

Саад Бхамла, доцент кафедры Школа химической и биомолекулярной инженерии в Georgia Tech хотели точно понять, как черные черви выполняют свои движения по запутыванию и распутыванию. Чтобы провести расследование, Бхамла и команда исследователей из Технологического института Джорджии связались с математиками Массачусетского технологического института. Их исследования, опубликовано в Наука, может повлиять на дизайн волокноподобной робототехники, изменяющей форму, которая самосборяется и перемещается быстрыми и обратимыми способами. В исследовании также подчеркивается, как междисциплинарное сотрудничество может дать ответы на некоторые из наиболее запутанных вопросов в различных областях.

Захват внутренней части червеобразного сгустка

Очарованные наукой о сверхбыстром передвижении и коллективном поведении, Бхамла и Гарри Туазон, аспирант лаборатории Бхамлы, в течение многих лет изучали калифорнийских черных червей, наблюдая, как они используют коллективное движение для образования сгустков, а затем рассеиваются.

“Мы хотели понять точную механику, лежащую в основе того, как черви меняют динамику своего движения, чтобы добиться запутывания и сверхбыстрого распутывания”, - сказал Бхамла. “Кроме того, это не просто типичные нити, такие как бечевка, кабели Ethernet или спагетти — это живые, активные клубки, которые находятся вне равновесия, что придает вопросу увлекательный оттенок”.

Туазон, один из первых авторов исследования, собрал видеозаписи своих экспериментов с червями, включая макросъемки механизма коллективного рассеивания червей и микроскопические видеозаписи одного, двух, трех и нескольких червей, чтобы запечатлеть их движения.

"Я был шокирован, когда направил ультрафиолетовый луч на капли червя, и они так быстро рассеялись", - сказал Туазон. "Но чтобы понять этот сложный и завораживающий маневр, я начал проводить эксперименты всего с несколькими червями".

Бхамла и Туазон обратились к математикам Массачусетского технологического института Йорну Дункелю и Вишалу Патилу (в то время аспиранту, а ныне постдокторанту Стэнфордского университета) с предложением о сотрудничестве. Посмотрев видео Туазона, два теоретика, специализирующиеся на узлах и топологии, загорелись желанием присоединиться.

“Узлы и переплетения - увлекательная область, где физика и механика встречаются с очень интересной математикой”, - сказал Патил, соавтор статьи. “Эти черви казались хорошей игровой площадкой для исследования топологических принципов в системах, состоящих из нитей”.

Ключевым моментом для Патила стало то, что он просмотрел видео Туазона с одним червем, которого спровоцировали на побег. Патил заметила, что червь двигался по схеме восьмерки, поворачивая голову по спирали по часовой стрелке и против нее, в то время как его тело следовало за ним.

Исследователи полагали, что эта спиралевидная походка может играть определенную роль в способности червей запутываться и распутываться. Но чтобы математически оценить структуру клубка червей и смоделировать, как они оплетают друг друга, Патилу и Данкелю нужны были экспериментальные данные.

Бхамла и Туазон приступили к поиску метода визуализации, который позволил бы им заглянуть внутрь блоба червя, чтобы собрать больше данных. После долгих проб и ошибок они пришли к неожиданному решению: ультразвуковому исследованию. Поместив живого червяка в нетоксичное желе и используя коммерческий ультразвуковой аппарат, они, наконец, смогли наблюдать внутреннюю часть запутанных клубков червей.

“Запечатлеть внутреннюю структуру капли живого червя было настоящей задачей”, - сказал Туазон. “В течение нескольких месяцев мы перепробовали все виды методов визуализации, включая рентгеновские лучи, конфокальную микроскопию и томографию, но ни один из них не дал нам необходимого разрешения в реальном времени. В конечном счете, ультразвук оказался решением проблемы”.

Проанализировав видеозаписи ультразвукового исследования, Туазон и другие исследователи из лаборатории Бхамлы тщательно отследили движение червей вручную, нанеся на график более 46 000 точек данных, которые Патил и Дункель использовали для понимания математики, лежащей в основе движений.

Объяснение запутывания и распутывания

Чтобы ответить на вопросы о том, как быстро распутываются черви, требовалось сочетание механики и топологии. Патил построил математическую модель, чтобы объяснить, как спиралевидная походка может привести к запутыванию и распутыванию. Протестировав модель с использованием платформы моделирования, Патил смог создать визуализацию переплетения червей.

Модель предсказывала, что каждый червь образовывал клубок по крайней мере с двумя другими червями, что объясняло, почему сгустки червей были такими сплоченными. Затем Патил показал, что тот же класс спиральных походок может объяснить, как они распутываются. Моделирование было сверхъестественным по своему сходству с реальными ультразвуковыми изображениями и показало, что чередующиеся спиралевидные волновые движения червей обеспечивали запутывание и сверхбыстрое высвобождение.

“Что поражает, так это то, что эти запутанные структуры чрезвычайно сложны. Это неупорядоченные и сложные структуры, но эти живые червеобразные структуры способны манипулировать этими узлами для выполнения важнейших функций”, - сказал Патил.

Хотя десятилетиями было известно, что черви передвигаются по спирали, никто никогда не проводил связь между этим движением и тем, как они убегают. Работа исследователей показала, как механические движения отдельных червей определяют их возникающее коллективное поведение и топологическую динамику. Это также первая математическая теория активного запутывания и распутывания.

“Это наблюдение может показаться простым любопытством, но его последствия имеют далеко идущие последствия. Активные нити повсеместно присутствуют в биологических структурах, от нитей ДНК до целых организмов”, - сказала Ева Кансо, программный директор Национального научного фонда и профессор машиностроения в Университете Южной Калифорнии.

“Эти нити выполняют множество функций и могут послужить общим мотивом для создания многофункциональных конструкций и материалов, которые меняют свойства по требованию. Точно так же, как шарики-черви совершают замечательные трюки по запутыванию и распутыванию, так и будущие материалы, вдохновленные биологией, могут бросить вызов ограничениям обычных структур, используя взаимодействие между механикой, геометрией и активностью ”.

Модель исследователей демонстрирует преимущества различных типов клубков, которые могут позволить программировать широкий спектр поведения в многофункциональных нитевидных материалах, от полимеров до мягких роботизированных систем, изменяющих форму. Многие компании, такие как 3M, уже используют нетканые материалы из спутанных волокон в своей продукции, включая бинты и маски N95. Черви могли бы вдохновить на создание новых нетканых материалов и топологически изменяющейся материи.

“Активное изменение формы топологической материи в настоящее время является предметом научной фантастики”, - сказал Бхамла. “Представьте себе мягкий нетканый материал, состоящий из миллионов нитевидных волокон, которые могут запутываться и распутываться по команде, образуя "умную" клейкую повязку, которая меняет форму по мере заживления раны, или "умный" фильтрующий материал, который изменяет топологию пор, улавливая частицы разного размера или химических свойств. Возможности безграничны".

Исследователи из технологического института Джорджии Эмили Кауфман, Тухин Чакрабортти и Дэвид Кин внесли свой вклад в это исследование.

цитирование: Патил и др. “Сверхбыстрая обратимая самосборка живой запутанной материи”. Наука.28 апреля 2023 года.

Два: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7759

Писатель: Кэтрин Барзлер, технологический институт Джорджии

Видео: Кэндлер Хоббс, технологический институт Джорджии

Оригинальные отснятые материалы и фотографии: Georgia Tech

Моделирование: С