Svartmaskar (Lumbriculus variegatus) är avlägsna släktingar till regnmaskar, upp till 10 cm lång. De lever i grunda kärr, dammar, och träsk i Europa och Nordamerika, där de livnär sig på mikroorganismer och skräp. För att skydda sig mot torka, svartmaskar kan aggregera som intrasslade, formskiftande "klumpar" som består av några till hundratals individer. Precis som svärmar av bin, flottar av eldmyror, eller flockar av starar, svartmaskklumpar kan visa "intelligent" kollektiv rörelse.

Nu, forskare visar att en effektiv kollektiv rörelse bara kan uppstå i svartmaskklumpar när förhållandena är rätt - särskilt, när det finns en balans mellan aktiviteten och "klibbigheten" hos enskilda svartmaskar. De publicerade nyligen sina resultat som open access i tidningen Gränser i fysik.

"Medan enskilda maskar i klumpen måste hålla fast vid varandra, de måste också vara tillgängliga för utsidan för att fortsätta ta emot information från den större miljön, "sa den första författaren Dr Chantal Nguyen, en postdoktor vid BioFrontiers Institute vid University of Colorado i Boulder, USA.

"Vad är den bästa balansen mellan dessa motsatta krav, som skulle möjliggöra för maskarna en optimal nivå av att känna och reagera på miljön som en enda helhet? För att hitta denna balans, vi gjorde en uppsättning experiment på riktiga svartmaskar för att skapa en realistisk modell av en maskblod. "

Hitta rätt temperatur

Varför är maskblåsor viktiga att studera? Anledningen ligger just i deras sociala organisation på flera nivåer.

Interaktioner mellan enskilda svartmaskar kan ge oväntade, nya egenskaper när de rör sig som en klump. Sådana "framväxande" egenskaper är en egenskap hos biologiska system, från proteiner till flercelliga organismer till ekosystem. Därför, klossar är inte bara fascinerande i sig själva, men kan också fungera som modell för liknande system för små eller för stora för att enkelt kunna observeras, till exempel de halvflexibla aktinfilamenten i cytoskelet, cilia, och flagell av celler.

"Aktiva biopolymerer och aktinfilament är bra exempel på så kallade" intrasslade aktiva materialkollektiv, som är ett hett ämne inom robotik och materialvetenskap, "sa medförfattaren Dr M. Saad Bhamla, en biträdande professor vid Georgia Institute of Technology, i Atlanta, USA.

För att studera svartmaskars svar på miljöförändringar, Nguyen och andra forskare registrerade rörelsen av enskilda svartmaskar i vattenbad vars temperatur gradvis ökade från 12 till 34 ºC. Upp till 30 ºC, maskarna tenderade att utforska badet, söker dess väggar och sedan rör sig längs dem. Vid högre temperaturer, skadar deras fysiologi, maskar höll sig mest stilla.

Testar en digital maskklump

Forskarna simulerade sedan det individuella och kollektiva beteendet hos svartmaskar i en datormodell, begränsa blobbar till bara två dimensioner för enkelhetens skull. De programmerade maskarna att bete sig som molekyler:frånstötande kontra att locka varandra på mycket nära avstånd kontra måttliga avstånd, och inte interagera på större avstånd. Isolerade maskar programmerades att utforska mer så vid låga temperaturer. Flexibiliteten mellan deras kroppssegment var måttlig, vilket resulterar i att modellmaskarna sträcker sig ut vid låga temperaturer men snurrar ihop vid högre temperaturer.

Forskarna visar att ihållande kollektiv rörelse av svartmaskklumpar bara kan uppstå när det finns en fin balans mellan maskarnas "klibbighet" och deras individuella rörelse, så att klossarna håller ihop när de rör sig för att leta efter kallare fläckar. Runt denna optimala balans, modellblossar rörde sig med en hastighet av 1 mm/s i genomsnitt, men långsammare för större klossar.

"När vi ändrade parametrarna, särskilt attraktionen mellan maskar och styrkan i individuell självdrivning, vi observerade tre breda beteendestatus:Ett där kollektiv rörelse konsekvent sker, en annan där klatter faller isär, och slutligen en där maskar klamrar sig så starkt till varandra att klatter inte kan röra sig, "sa medförfattaren Dr Orit Peleg, en biträdande professor i datavetenskap vid BioFrontiers Institute.

"Verkliga svartmaskar visar också dessa, vilket innebär att vår modell - trots sin enkelhet - fångar mycket av den verkliga organismens komplexitet. "

"Vi hoppas att våra nuvarande resultat kan tillämpas på design av nya robotsystem där enskilda mjuka och flexibla robotar kan trassla ihop och röra sig som en enhet. En annan möjlig tillämpning skulle vara i 'konstruerade levande material, 'såsom byggmaterial eller tyger, som består av autonoma enheter som kan omorganisera sig själva för reparation eller för att reagera på miljön, "avslutade Bhamla.