ボールに絡まった 50,000 匹のワームが、プレデターの出現により爆発的に解ける

カリフォルニアのブラックワームは、絡まったワーム ボールから逃れるのに役立つねじり動作をデモンストレーションすることで、結び目を結ぶ数学と物理学に貢献しています。

ごちゃごちゃしたヘッドフォンに取り組んでいる人なら誰でも、絡まったコードを解くのが難しいことを知っています。 しかし、カリフォルニアブラックワームにとって、固い結び目は何の役にも立ちません。 これらの小さな虫は数千匹もねじれ、フォーク一杯のうごめくスパゲッティを思わせる密集した塊を形成します。 このような絡み合いが形成されるまでには数分かかりますが、絡み合った黒虫は数ミリ秒で自由にうごめくことができます。

今回、科学者たちは、足のない脱出アーティストたちが、単純な筋肉とニューロンの集合体だけを使って、どのようにして緊密なもつれからシームレスに抜け出すのかをついに解明した。 「ワームがこのもつれを解く問題を解決できるなら、私たちにも解決できると考えました」とスタンフォード大学の応用数学者、ヴィシャール・パティル氏は言う。 本日サイエンス誌に掲載された研究で、パティルらは数学的シミュレーションを使用して、黒虫が絡みついた体を素早く解くために使用する動きを正確に特定した。

体長わずか数センチのカリフォルニア黒虫 (Lumbriculus variegatus) は見落としがちです。 しかし、これらの水生ワームは観賞魚の一般的な幼虫であり、数の強さを実証しています。 湿気を保ったり、温度を維持したりするために、5 匹から 50,000 匹の黒虫が混ざり合い、まるで生き物の特徴から抜け出たかのような蠢く塊を形成します。 これらの絡み合いが緊密である間、捕食性ゲンゴロウの兆候が現れると、肉厚の虫が四方八方にうごめきます。

ハリー・トゥアゾン、現在生物工学博士。 ジョージア工科大学の学生である彼は、研究室のペトリ皿の上でうごめく黒虫を観察したときに、このほぼ瞬時の反応を垣間見ました。 「虫の球に紫外線ライトを向けると、突然爆発しました」と彼は言う。 「とても魅惑的でした。」

トゥアゾンさんはこのワーム ボールに夢中になり、数十ミリ秒、まばたきのほんの一瞬で解けました。 彼は、個々の虫の動きを顕微鏡ビデオで撮影した後、さらに多くの動物を混合物に徐々に加えてボールの複雑さを高めました。 これらの虫の巣の背後にある物理学を解明するために、彼は当時博士号を取得していたパティルとチームを組みました。 マサチューセッツ工科大学の学生で、結び目やその他の複雑なシステムの幾何学を専門としています。

パティルは、トゥアゾンが小さな電気ショックに反応する一匹の虫を撮影した顕微鏡ビデオを見て、興味深いことに気づきました。 この線虫は刺激に反応すると、頭を時計回りに動かし、その後方向を変え、反時計回りに回転する動作を繰り返しました。 これにより、交互螺旋波として知られる 8 の字パターンが作成されました。

線虫のらせん状の歩行の正確な数学的モデルを作成するために、パティル氏は、個々の線虫が絡み合いの中でどのように動くかを観察する必要もありました。 ワームボールは驚くほど貫通しにくいため、トゥアゾンにとってこれは困難であることが判明しました。 虫は水の中に沈んでいたため、X線検査は成功しなかった。 マイクロコンピューター断層撮影スキャンでは、低解像度の画像しか得られませんでした。 最終的にトゥアゾンは、チームにとって最善の策は健全であると判断した。 彼は超音波装置を使用して、ゼラチンの中に置かれた生きた虫の集団の画像を作成しました。

超音波画像により、研究者らは、のたうち回るごちゃごちゃの中で他の虫と常に接触している個々の虫の動きに関する 46,000 点以上のデータをプロットすることができました。 パティル氏と彼の同僚は、線虫の動きの数学的モデルを作成し、絡み合いの 3 次元シミュレーションを実行しました。

研究者らは、交互にらせん状の歩行動作を採用することで、線虫がシームレスに絡みを解くことができることを発見した。 彼らはまた、無脊椎動物がほぼ一方向にコルク栓抜きをするというわずかに変化した動きによって絡み合いが生じることも発見した。 「反対方向の巻きに切り替える前に、一方向の巻きに長時間かかると、もつれが発生します」とパティル氏は言います。 「ワームが時計回りと反時計回りの巻きを素早く切り替えると、絡みが解ける動作が得られます。」