Desenredando el enredo de las Lombrices Negras (Autoensamblaje y bioinspiración)
Fuente: Colaje imágenes Google
¿Quién no ha oído el dicho de “desenredar la madeja o desenmarañar la madeja”, equivalenteS al vocablo menos conocido de “desovillar”. Cuando los ovillos o manejas de lana (por ejemplo) se enredan, resulta enormemente difícil, deshacer el entuerto. Bien lo saben aquellas(os) a las que les gusta hacerse sus propios jerséis, bufandas, etc., entre otras prendas. De aquí que suela ser utilizado para retar a alguien a que clarifique algo enormemente enrevesado. Pues bien Lumbriculus variegatus o lombriz negra, es un gusano que habita en humedades (agua y sedimentos) que, ante estrés ambientales, como el ataque de los depredadores, o el vertido de contaminantes, aglutina a diversos individuos formando un ovillo o madeja a la hora de proteger a todo el colectivo. El proceso es rapidísimo. Pues bien, unos investigadores, muy versados en matemáticas y procesos físicos de autoensamblaje se plantearon el reto de averiguar como los gusanitos de marras llevaban a cabo tal proceso, con fines aplicados o en sus propias palabras: «La forma en que los gusanos usan este estado enredado es única, pero podemos extraer principios de diseño y diseñar sistemas, en función de cómo entendemos ahora el trabajo de los enredos«. La publicación correspondiente y otro material que os muestro abajo versa el proceso mentado sobre este tipo de lombrices y algunos datos de su ecología.
Lumbriculus variegatus habita en suelos hídricos y su interfase con las aguas que los recubren. Al buscar en Internet, siempre nos topamos con vocablos como sedimentos o ambientes acuáticos, empero en terminología edafológica puede alegarse que son suelos hídricos y/o sumergidos, permanente o casi permanentemente. Tiene esta curiosa propiedad de “entrelazamiento” ¿¿?? que ha intrigado a la comunidad científica. Se trata de un gusano que puede cultivarse en el laboratorio y vivir en acuarios, lo que permite a los científicos indagar muchas de sus propiedades detalladamente y con tecnologías sencillas. El material que os expongo abajo se me antoja suficiente como para que os hagáis una idea clara, tanto de la lombriz como del proceso de autoensamblaje.
Del mismo modo, como también reproduzco abajo, es utilizado como un “conejillo de indias”, con frecuencia, en los estudios de ecotoxicología producidos por la contaminación de “suelos y sedimentos”, como por ejemplo los metales pesados.
No tengo preferencia alguna, respecto a otros ambientes, sobre tal tipo de hábitats, pero recibo mucha información al respecto de los noticieros de prensa científica. Posiblemente por vivir en ese ambiente tan cambiante y sujeto a impactos ambientales, correspondiendo también a la frontera entre las aguas y la tierra emergida que tanto costó superar a los seres vivos, den lugar a que allí ocurran, procesos tan fascinantes como este. ¿quien desenredará la madeja? ¿Lo veis? En cualquier caso los suelos y los organismos de tales hábitats, se están convirtiendo en una formidable fuente de bioinspiración.
Os dejo ya con la información prometida.
Juan José Ibáñez
Continúa………
Cómo desenredar una bola de gusano: los matemáticos resuelven un misterio complicado
Un nuevo estudio explica cómo los gusanos negros de California pueden retorcerse y enroscarse unos alrededor de otros por miles, formando bolas fuertemente enrolladas y luego desenredando con la misma rapidez. Cómo desenredar una bola de gusano: los matemáticos resuelven un misterio complicado
Por Jennifer Chu para MIT News Boston MA (SPX) 01 de mayo de 2023
Como sabe cualquiera que haya desenrollado una cadena de luces navideñas o desenredado un mechón de cabello gruñido, deshacer un nudo de fibras lleva mucho más tiempo que enredarlo en primer lugar. Esto no es así para una astuta especie de gusano de la costa oeste.
Encontrados en pantanos, estanques y otras aguas poco profundas, los gusanos negros de California (Lumbriculus variegatus) se retuercen y se enroscan unos alrededor de otros por miles, formando bolas fuertemente enrolladas durante varios minutos. Frente a un depredador u otra amenaza percibida, los gusanos pueden desenredarse instantáneamente, desmontando el revoltijo en milisegundos.
Perplejos por cómo los wigglers pueden desenredar nudos tan elaborados tan rápidamente, los matemáticos del MIT se asociaron con biofísicos de Georgia Tech para estudiar el comportamiento nudoso de los gusanos. A través de experimentos y modelos matemáticos, el equipo ahora ha determinado el mecanismo por el cual los gusanos se enredan y se desenrollan rápidamente. Sus hallazgos, publicados en Science, podrían inspirar diseños para materiales y fibras rápidos, reversibles y autoensamblables.
«Podemos inspirarnos en estos gusanos para pensar en cómo podríamos manipular los sistemas poliméricos y filamentosos«, dice Vishal Patil, un postdoctorado en la Universidad de Stanford, quien desarrolló un modelo matemático del comportamiento de los gusanos mientras era estudiante graduado en el Departamento de Matemáticas del MIT. «Uno podría pensar en diseñar fibras tejidas activas que podrían reorganizarse cuando están obstruidas o un robot inteligente que podría cambiar su agarre enredando y desenredando«.
Los coautores de Patil en el estudio son Jorn Dunkel, profesor de matemáticas en el MIT, y el coautor Harry Tuazon, junto con Emily Kaufman, Tuhin Chakrabortty, David Qin y M. Saad Bhamla en Georgia Tech.
Enganchado a una maraña
El grupo de Bhamla estudia gusanos, insectos y otros organismos vivos, y cómo su comportamiento puede inspirar el diseño de nuevos dispositivos y sistemas robóticos. Tuazon, un estudiante de doctorado en el laboratorio, estaba observando gusanos negros de California nadando en un acuario de laboratorio cuando fueron golpeados por las notables habilidades de enredo y desenredo de los gusanos.
El grupo ha descubierto previamente que en la naturaleza, los gusanos se enredan como un mecanismo protector y defensivo. Un gran nudo de gusanos puede evitar que los gusanos interiores se sequen en condiciones de sequía. Una bola de gusanos también puede moverse como una sola, arrastrándose colectivamente a lo largo del suelo de un lago o estanque. Cuando detectan un depredador, los gusanos pueden desenredarse en milisegundos, dispersándose en muchas direcciones.
Preguntándose qué podrían estar haciendo los gusanos para salir de configuraciones tan intrincadas, Bhamla recordó un estudio realizado por Dunkel y su grupo en el MIT. En ese trabajo, los matemáticos idearon un modelo que predice la estabilidad de un nudo, basado en los giros y cruces de varios segmentos anudados.
«Vi este estudio y pensé, Dios mío, estos principios matemáticos podrían ser adecuados para ser aplicados a los gusanos«, dice Bhamla, quien se acercó a Dunkel y Patil para ver si podían arrojar información matemática sobre el nudo de los gusanos. Bhamla también envió a los matemáticos algunos videos tomados en el laboratorio de los gusanos enredados.
«Cuando nos mostró esos videos, especialmente de los gusanos desenredándose, nos enganchó», dice Patil. «Sabemos intuitivamente que es realmente difícil desenredar las fibras. El hecho de que los gusanos fueran capaces de resolver eso mostró que había algo interesante sucediendo con estos enredos que queríamos resolver matemáticamente«.
Paso de baile
Dunkel y Patil adaptaron sus códigos matemáticos sobre la estabilidad del nudo al enredo de gusanos estudiando primero el comportamiento de un solo gusano. Observaron las grabaciones de Tuazon de un gusano en una placa de Petri de agua y observaron que en respuesta a una amenaza percibida, como un pulso de luz ultravioleta, el gusano de repente se encorchó, girando hacia la izquierda, luego rápidamente hacia la derecha, una y otra vez.
«Ese movimiento recurrente en forma de ocho nos sugirió un mecanismo de destejido que podría funcionar para desenredarse de un nudo«, dice Patil.
Luego, los matemáticos estudiaron videos de dos gusanos para ver si algún patrón en su movimiento garantizaba que el par se enredara.
«Si solo unes dos fibras, no está claro que se trencen una alrededor de la otra«, dice Patil. «Tanto el enredo como el desenredo eran dinámicas que queríamos desempacar«.
Sorprendentemente, encontraron que los gusanos se enredaban moviéndose en el mismo movimiento helicoidal que desenredar. La única diferencia parecía ser que los dos gusanos se enredaban en bucle en una dirección durante un período de tiempo más largo antes de cambiar al bucle en la otra dirección, mientras que el gusano único cambiaba de dirección rápidamente, girando a la izquierda, luego a la derecha y viceversa.
Los científicos sospecharon que los gusanos se enredaban y desenredaban en función de la rapidez con que cambiaban su dirección de bucle. El equipo incorporó estos nuevos parámetros de movimiento helicoidal y la velocidad de conmutación de bucle en su modelo de nudo existente, que luego utilizaron para simular el comportamiento de cientos de gusanos generados por computadora.
«Es un modelo muy mínimo, en el que cada gusano básicamente ejecuta su propio programa de movimientos helicoidales y qué tan rápido cambian de dirección», dice Dunkel. «Puedes pensar que tienen dos engranajes: un engranaje lento, que les permite enredarse, y un engranaje rápido, que les permite desenredar«.
El equipo simuló numerosos escenarios de fibras similares a gusanos y descubrió que aquellas que eran más lentas para cambiar las direcciones de bucle estaban enredadas en grandes bolas. Las fibras que cambiaban rápidamente de una dirección a otra eran capaces de desenredarse de un nudo.
Cuando compararon sus simulaciones con imágenes de ultrasonido de gusanos reales tomadas en Georgia Tech, el grupo descubrió que el patrón de movimientos en ambos era el mismo. La descripción matemática de Vishal y Dunkel, que involucra movimiento helicoidal y velocidad de bucle, predijo con precisión el enredo de los gusanos y el desenredo rápido.
«Nos dimos cuenta de este simple baile», dice Bhamla. «El circuito biológico es el mismo. Pero es como si la música de baile cambiara, de un vals lento al hip-hop de Elvis, y de repente se desenredan«.
«Este estudio trata sobre el comportamiento de los gusanos, pero resulta que pueden ser un sistema modelo para la ingeniería de materia filamentosa«, dice Patil. «La forma en que los gusanos usan este estado enredado es única, pero podemos extraer principios de diseño y diseñar sistemas, en función de cómo entendemos ahora el trabajo de los enredos«.
Informe de investigación: «Autoensamblaje reversible ultrarrápido de materia viva enredada»
50.000 gusanos enredados en una bola se desenredan en una explosión explosiva cuando aparece un depredador y Video
Los gusanos negros de California hacen una contribución a las matemáticas y la física del atado de nudos al demostrar movimientos de torsión que les ayudan a escapar de una bola de gusano enredada.
Cualquiera que haya lidiado con auriculares revueltos conoce la dificultad de desenredar los cables gruñidos. Sin embargo, un nudo apretado no es nada para un gusano negro de California. Estos pequeños gusanos se retuercen por miles para formar manchas apretadas que recuerdan a un tenedor de espaguetis retorcidos. Si bien estos enredos tardan minutos en formarse, los gusanos negros entrelazados pueden liberarse en cuestión de milisegundos.
Importancia de la vía de exposición para las respuestas conductuales en Lumbriculus variegatus Müller (Oligochaeta: Lumbriculida) en exposiciones a corto plazo a Pb Almut Gerhardt
Abstracto
Lumbriculus variegatus Müller (Oligochaeta), un habitante común de sedimentos de agua dulce, se ha utilizado con frecuencia en estudios toxicocinéticos, aunque se ha utilizado menos en pruebas de ecotoxicidad. (….) el comportamiento locomotor espontáneo de Lumbriculus variegatus en exposiciones con dos compartimentos, agua y sedimento. El estudio cuestionó si los animales alteraron su locomoción dependiendo del compartimiento que estaba enriquecido con plomo (Pb). (….) Al igual que en las exposiciones al agua contaminada con Pb/sedimentos limpios, los animales expuestos a sedimentos contaminados con Pb/agua limpia mostraron mayores actividades en concentraciones intermedias de Pb. Esto indica que la actividad locomotora espontánea se ve afectada por las concentraciones de Pb a niveles subletales, independientemente de si la concentración de Pb se encuentra en el agua o en el sedimento, porque estos animales utilizan ambos compartimentos ambientales simultáneamente. Sin embargo, dentro de los mismos niveles de Pb, los animales mostraron una mayor actividad locomotora en el agua contaminada en comparación con los sedimentos contaminados. Esto indica una posible tendencia a retirarse del agua contaminada («evitarla») en el compartimento de sedimentos limpios, mientras que no hubo retirada de sedimentos contaminados en agua limpia. Esto último podría explicarse por el hecho de que la extracción de sedimentos al agua podría aumentar el riesgo de depredación y deriva en la naturaleza, mientras que retraerse a sedimentos podría proporcionar refugio. (….) Se debe hacer más hincapié en las interacciones agua/sedimento en las pruebas de ecotoxicidad de sedimentos para simular mejor las condiciones de campo y aumentar el realismo ecológico en la evaluación del riesgo, especialmente a medida que existen métodos de registro cuantitativo.
Uso del oligoqueto acuático Lumbriculus variegatus para evaluar la toxicidad y bioacumulación de contaminantes asociados a sedimentos
Gary L. Phipps, Gerald T. Ankley, Duane A. Benoit, Vincent R. Mattson 1993; https://doi.org/10.1002/etc.5620120210
Abstracto
En este artículo describimos métodos de prueba que utilizan el oligoqueto acuático Lumbriculus variegatus para evaluar la toxicidad aguda y crónica y la presencia de compuestos bioacumulables en sedimentos contaminados. Lumbriculus variegatus fue elegida como especie de ensayo porque: a) representa un componente ecológicamente relevante de los ecosistemas de agua dulce (es decir, oligoquetos); b) es adecuado para ensayos y evaluaciones a largo plazo de parámetros de toxicidad crónica (por ejemplo, crecimiento, reproducción); c) está expuesto a través de todas las vías importantes de preocupación, incluida la ingestión de partículas contaminadas; y d) tiene suficiente biomasa para evaluar la bioacumulación de contaminantes. Además, Lumbriculus variegatus es fácil de cultivar y manipular. Aquí se describen procedimientos de cultivo y protocolos de prueba (por ejemplo, longitud de prueba, tamaño de la muestra, alimentación, etc.) para Lumbriculus variegatus, así como dos ejemplos de los tipos de datos experimentales generados al usar el oligoqueto en pruebas con sedimentos contaminados.
Lumbriculus variegatus (Wikipedia)
El gusano negro de California (Lumbriculus variegatus) es una especie de oligoqueto que habita América del Norte y Europa. Vive en pantanos de agua superficial, estanques y ciénagas, se alimenta de microorganismos y material orgánico. Un ejemplar adulto posee aproximadamente entre 150 y 250 segmentos, cada cual tiene la capacidad de regenerarse como un individuo nuevo cuándo se separa del resto del animal.
Entre sus características se encuentran una pigmentación verde del extremo anterior y su mecanismo de escape. Al ser tocado, L. variegatus intenta, para huir, nadar en forma helicoidal o invertir su cuerpo. El patrón de escape utilizado depende de donde se toque al gusano; en la zona anterior provoca esta inversión del cuerpo, mientras que en la zona posterior provoca el giro helicoidal. L. variegatus tiene reflejos rápidos, y utiliza sus fotorreceptores para detectar sombras y movimiento, y así huir de las amenazas. Su extremo posterior puede elevarse hacia fuera del agua, formando un ángulo agudo. De este modo se expone al aire e intercambia oxígeno y dióxido de carbono, a pesar de que esto lo expone a sus enemigos. Si los fotorreceptores detectan una sombra o movimiento, el extremo posterior rápidamente se acorta en respuesta a la amenaza.1