50.000 zu einem Ball verwickelte Würmer entwirren sich in einer explosiven Explosion, als ein Raubtier auftaucht

Kalifornische Schwarzwürmer leisten einen Beitrag zur Mathematik und Physik des Knotenbindens, indem sie Drehbewegungen vorführen, die ihnen helfen, einem verwickelten Wurmknäuel zu entkommen

Jeder, der mit durcheinander geratenen Kopfhörern zu kämpfen hat, weiß, wie schwierig es ist, verhedderte Kabel zu entwirren. Ein fester Knoten ist für einen Kalifornischen Schwarzwurm jedoch nichts. Diese winzigen Würmer verdrehen sich zu Tausenden und bilden dicht gepackte Klumpen, die an eine Gabel voller sich windender Spaghetti erinnern. Während es Minuten dauert, bis sich diese Knäuel bilden, können sich ineinander verschlungene Schwarzwürmer innerhalb von Millisekunden befreien.

Jetzt haben Wissenschaftler endlich herausgefunden, wie diese beinlosen Fluchtkünstler nur eine einfache Ansammlung von Muskeln und Neuronen nutzen, um nahtlos aus engen Verwicklungen herauszuschlüpfen. „Wir dachten, wenn Würmer dieses Entwirrungsproblem lösen könnten, könnten wir das auch“, sagt Vishal Patil, ein angewandter Mathematiker an der Stanford University. In einer heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie verwendeten Patil und seine Kollegen mathematische Simulationen, um die Bewegungen zu bestimmen, mit denen Schwarzwürmer sich schnell entwirren.

Mit einer Länge von nur wenigen Zentimetern kann man den Kalifornischen Schwarzwurm (Lumbriculus variegatus) leicht übersehen. Doch diese Wasserwürmer, die häufig als Futter für Aquarienfische dienen, verdeutlichen ihre Stärke in Zahlen. Um ihre Feuchtigkeit zu bewahren oder ihre Temperatur aufrechtzuerhalten, vermischen sich zwischen fünf und 50.000 Schwarzwürmer und bilden sich windende Klumpen, die scheinbar direkt aus einer Kreatur stammen. Auch wenn diese Knäuel dicht sind, führt das früheste Anzeichen eines räuberischen Tauchkäfers dazu, dass sich die fleischigen Würmer in alle Richtungen winden.

Harry Tuazon, jetzt Doktor der Biotechnik. Ein Student am Georgia Institute of Technology erhaschte einen flüchtigen Blick auf diese fast augenblickliche Reaktion, als er schwarze Würmer beobachtete, die sich im Labor über eine Petrischale bewegten. „Ich richtete ein UV-Licht auf einen Wurmball und er explodierte plötzlich“, sagt er. „Es war faszinierend.“

Tuazon war von diesen Wurmbällchen fasziniert, die sich in wenigen Millisekunden – dem Bruchteil eines Augenzwinkerns – auflösten. Er machte Mikroskopvideos von den Bewegungen einzelner Würmer, bevor er der Mischung nach und nach weitere Tiere hinzufügte, um die Komplexität der Kugeln zu erhöhen. Um die Physik hinter diesen Wurmnetzen zu entschlüsseln, tat er sich mit Patil, damals Doktorand, zusammen. Student am Massachusetts Institute of Technology, spezialisiert auf die Geometrie von Knoten und anderen komplexen Systemen.

Patil bemerkte etwas Interessantes, als er sich Mikroskopvideos ansah, die Tuazon von einem einzelnen Wurm aufgenommen hatte, der auf einen kleinen Stromschlag reagierte. Als der Wurm auf die Reize reagierte, bewegte er seinen Kopf im Uhrzeigersinn, bevor er seinen Kurs umkehrte und sich in einer sich wiederholenden Bewegung gegen den Uhrzeigersinn drehte. Dadurch entstand ein Achtermuster, das als alternierende Spiralwelle bekannt ist.

Um genaue mathematische Modelle des spiralförmigen Gangs der Würmer zu erstellen, musste Patil auch sehen, wie sich die einzelnen Würmer innerhalb der Knäuel bewegten. Dies erwies sich für Tuazon als schwierig, da die Wurmkugeln überraschend undurchdringlich waren. Die Würmer waren in Wasser getaucht, daher erwiesen sich Röntgenaufnahmen als erfolglos. Mikrocomputertomographie-Scans boten nur Einblicke in niedriger Auflösung. Schließlich kam Tuazon zu dem Schluss, dass die beste Wette des Teams sinnvoll war. Er nutzte ein Ultraschallgerät, um Bilder einer Ansammlung lebender Würmer zu erstellen, die in Gelatine gelegt wurden.

Die Ultraschallbilder ermöglichten es den Forschern, mehr als 46.000 Datenpunkte über die Bewegungen der einzelnen Würmer aufzuzeichnen, die in dem sich windenden Durcheinander ständig in Kontakt mit anderen Würmern standen. Patil und seine Kollegen erstellten mathematische Modelle der Bewegungen der Würmer und führten sie durch dreidimensionale Simulationen der Knäuel durch.

Die Forscher fanden heraus, dass die abwechselnde spiralförmige Gangbewegung es den Würmern ermöglichte, sich nahtlos zu entwirren. Sie fanden auch heraus, dass eine leicht veränderte Bewegung, bei der sich die Wirbellosen hauptsächlich in eine Richtung drehten, zur Entstehung der Verwicklungen beitrug. „Wenn es länger in eine Richtung aufwickelt, bevor es in die andere Richtung aufwickelt, kommt es zu einem Verhedderungsverhalten“, sagt Patil. „Wenn die Schnecke schnell zwischen dem Aufwickeln im Uhrzeigersinn und dem Gegenuhrzeigersinn wechselt, kommt es zu einem Entwirrungsverhalten.“

Laut Eleni Panagiotou, einer Mathematikerin an der Arizona State University, die die Auswirkungen von Verschränkungen in physikalischen Systemen untersucht, ermöglicht die Vielseitigkeit dieser Bewegung den Würmern, ihre Verflechtungen zu verfeinern. „Kalifornische Schwarzwürmer weisen diese optimale Schwelle auf, bei der sie sich sowohl eng verschränken als auch schnell wieder lösen können“, sagt Panagiotou, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, aber einen verwandten Perspektivenartikel in Science verfasst hat. Wenn sie sich zu stark verdrehen, wird das Gewirr zu eng und die Würmer verlieren ihre Fluchtfähigkeit. Wenn sie nicht ausreichend gedreht werden, bildet sich kein schützendes Knäuel.

Sie glaubt, dass ähnliche Bewegungen dazu beitragen können, eine Reihe komplizierter Knoten zu entwirren, die sowohl in der Natur als auch in der künstlichen Welt allgegenwärtig sind. Beispielsweise kommen verwickelte Filamente natürlicherweise in allem vor, von knorrigen Wurzelnetzwerken bis hin zu eng gewundenen DNA-Strängen. Schon lange nutzen Menschen Knäuel, um Seile herzustellen und Stoffe zu weben. „Die Forscher erklären nicht nur, was die Natur in diesen Würmern tut, sondern erstellen auch eine Karte der Möglichkeiten in anderen Systemen und Kontexten“, sagt Panagiotou.

Das Team glaubt, dass die Bewegungen dieser Würmer Forschern möglicherweise dabei helfen können, fadenförmige Filamente in weichen Robotersystemen so zu programmieren, dass sie aktiv ihre Form verändern. Dadurch könnten flexible Bandagen entstehen, die ihre Form ändern, wenn Wunden heilen, oder Wasserfilter, die so eingestellt werden können, dass sie bestimmte Partikel herausfiltern.

Patil glaubt, dass der Beweis im Wurmfleck liegt. „Diese Würmer geben uns die allgemeinen Prinzipien hinter dem Verwirren und Entwirren und möglicherweise einen Werkzeugkasten zur Manipulation anderer Systeme“, sagt er. „Es ist nicht nur ein mathematisches Modell, weil wir wissen, dass Würmer es können.“

Jack Tamisiea ist ein Wissenschaftsjournalist mit Sitz in Washington, D.C., der über Naturgeschichte und Umwelt berichtet. Folgen Sie Tamisiea auf Twitter @jack_tamisiea

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