Este minúsculo verme usa eletricidade estática para caçar insetos voadores

“Identificamos o mecanismo eletrostático que este verme usa para atacar seu alvo e mostramos a importância desse mecanismo para a sobrevivência do verme”, diz o coautor Justin Burton, professor de física de Emory que liderou a análise matemática dos experimentos de laboratório no laboratório. “Uma alta voltagem, combinada com uma pequena lufada de ar, aumenta muito as chances de um verme saltador se conectar com um inseto voador.”

Victor Ortega-Jimenez, coautor principal e professor assistente de biomecânica na Universidade da Califórnia, Berkeley, acrescenta: “Você pode esperar grandes descobertas em animais grandes, mas os pequenos também guardam muitos segredos interessantes”. Ele liderou o experimento, usando microscopia de alta velocidade para filmar vermes do tamanho de pontas de agulha lançando-se em direção a moscas-das-frutas eletricamente carregadas.

Os pesquisadores descobriram que as asas de um inseto criam um campo elétrico de várias centenas de volts quando ele se move pelo ar. Essa carga induz uma carga oposta no verme, criando uma atração que une os dois. Eles confirmaram que este processo é conduzido por indução eletrostática.

“Usando a física, aprendemos algo novo e interessante sobre a estratégia adaptativa em um organismo”, diz Ranjiangshang Ran, co-autor principal do artigo e pós-doutorado no laboratório de Burton. “Estamos ajudando a ser pioneiros no campo emergente da ecologia eletrostática.”

Outros colaboradores incluem Saath Bamla e Sunny Kumar, do Georgia Institute of Technology, que conduziram experimentos preliminares estudando a biomecânica dos organismos, e Adler Tillman, biólogo de nematóides da Universidade da Califórnia, em Riverside.

A vida surpreendente de pequenas criaturas

A eletricidade estática – a faísca que você sente quando toca uma maçaneta ou veste um suéter – ocorre quando elétrons são ejetados repentinamente ao entrar em contato com um condutor.

Embora seja um choque breve e irritante para os humanos, os cientistas descobriram que a eletricidade estática desempenha um papel importante na sobrevivência e no comportamento de muitas pequenas criaturas.

Em 2013, Ortega-Jimenez descobriu que as teias de aranha usam a carga elétrica dos insetos próximos para atraí-los e prendê-los. Outros estudos mostram que as abelhas usam forças estáticas para coletar pólen, os zangões aderem aos beija-flores usando atração eletrostática e as aranhas-balão dependem de uma barra carregada para viajar longas distâncias.

Burton e Ortega-Jimenez foram coautores de um comentário recente Tendências parasitológicas Estudei como a eletricidade estática afeta os carrapatos.

“Os carrapatos podem ser apanhados no chão por animais fofinhos, através da eletricidade estática no pelo do animal”, explica Burton.

Em experimentos que testaram esse fenômeno, Ortega-Jimenez desenvolveu uma técnica para controlar com precisão a carga elétrica de um carrapato conectado. Essa descoberta forneceu o método que faltava e era necessário para avançar com novas pesquisas sobre nematóides.

À medida que o verme saltitante se transforma

Para o artigo atual, os pesquisadores queriam examinar como as forças eletrostáticas combinadas com a aerodinâmica afetam as taxas de sucesso. S. Carbocapsae Para se conectar com um inseto voador.

S. Carbocapsae Uma lombriga não segmentada, ou nematóide, mata insetos por meio de uma relação simbiótica com bactérias. Os vermes crescem no solo em quase todos os lugares da Terra, exceto nos pólos. É cada vez mais utilizado para o controlo biológico de pragas na agricultura, e investigadores de todo o mundo estão a estudar como direccionar ainda mais a sua eficácia como pesticida natural.

Quando o verme sente um inseto acima de sua cabeça, ele se enrola em um laço e o lança no ar 25 vezes o comprimento do seu corpo. Isso equivale a um homem pulando mais alto que um prédio de 10 andares.

“Acredito que esses nematóides sejam os menores e melhores saltadores do mundo”, diz Ortega-Jimenez. Ele observa que durante seus saltos acrobáticos e vertiginosos, eles giram 1.000 vezes por segundo.

Assim que o verme atinge seu alvo, ele entra no corpo do inseto através de uma abertura natural. Em seguida, deposita suas bactérias simbióticas, que matam o inseto em 48 horas. Após a morte do hospedeiro, o verme se alimenta de bactérias em proliferação, bem como de tecidos de insetos, e põe ovos. A bactéria pode infectar outros insetos por várias gerações na carcaça do inseto até que as larvas jovens emerjam no ambiente.

Testes difíceis

Os pesquisadores desenvolveram experimentos para investigar a física envolvida no vigor do verme ao se fixar em um inseto voador.

Na natureza, as asas de um inseto voador podem gerar centenas de volts ao esfregar contra os íons no ar. Os físicos precisam saber a carga exata das moscas da fruta usadas no modelo de teste. Ortega-Jiménez precisou prender um pequeno fio na parte de trás de cada mosca da fruta conectado a uma corrente elétrica de alta voltagem para controlar sua voltagem.

“É muito difícil conectar uma mosca da fruta”, diz ele. “Normalmente, levo meia hora ou às vezes uma hora.”

Outro desafio é encontrar as condições certas para induzir os vermes a saltar num ambiente experimental. Ortega-Jiménez usou substrato de papel úmido. O papel deve estar suficientemente úmido, mas não muito molhado. Finalmente, o verme precisava de um leve impulso de vento ou de uma ligeira perturbação mecânica antes de voar em direção à mosca da fruta suspensa.

Ortega-Jiménez conduziu dezenas de experimentos, registrando-os com uma câmera especial de alta velocidade capaz de capturar trajetórias submilimétricas de vermes invisíveis ao olho humano a uma taxa de 10.000 quadros por segundo.

Ele também construiu um pequeno túnel de vento para alguns experimentos, para que os físicos pudessem analisar o papel do ar ambiente na taxa de sucesso alvo do verme.

Digitalização de dados

Usando um software de computador, Run digitalizou os rastros dos vermes, com base em 60 vídeos dos experimentos. Nos casos em que um verme sai do plano focal da câmera e desfoca a imagem, esse processo pode ser demorado.

Run usou um algoritmo de computador chamado cadeia de Markov Monte Carlo (MCMC) para analisar os dados digitalizados. (“Markov” refere-se ao matemático que desenvolveu o algoritmo, enquanto “Monte Carlo” refere-se à área de Mônaco famosa por seus cassinos.)

“O MCMC permite realizar estudos randomizados usando vários parâmetros para determinar a probabilidade matemática de um resultado”, explica Ron.

Ran identificou um conjunto de 50.000 valores plausíveis de parâmetros ajustados à trajetória de um verme – como a voltagem do inseto, as dimensões físicas e a velocidade de lançamento do verme – permitindo a probabilidade de uma carga específica em um verme atingir seu alvo.

Sem qualquer eletrostática, apenas um dos 19 buracos de minhoca atingiu o alvo com sucesso.

O modelo mostra que uma carga de algumas centenas de volts – um nível normalmente encontrado em insetos voadores – cria uma contra-carga no verme saltador e aumenta significativamente as chances de ele se conectar com o inseto no ar. Uma carga de apenas 100 volts resultou em menos de 10% de probabilidade de atingir o alvo, enquanto 800 volts aumentaram a probabilidade de sucesso para 80%.

Um verme gasta uma grande quantidade de energia para saltar e enfrenta os riscos de predação ou dessecação enquanto está suspenso no ar.

“Nossas descobertas mostram que, sem o eletromagnetismo, não faz sentido que esse comportamento saltitante e predatório tivesse evoluído nesses vermes”, diz Run.

Ciência Passado e Futuro

Os pesquisadores levantam a hipótese de que a indução elétrica é o mecanismo que impulsiona a interação entre o verme e seu alvo. A investigação dos documentos acabou levando-os à lei da indução proposta pelo físico escocês James Clerk Maxwell.

“Maxwell, um dos maiores físicos de todos os tempos, tinha uma imaginação fértil, tal como Einstein”, diz Ron. “Nosso modelo para o mecanismo de carregamento de vermes concorda com uma previsão de indução eletrostática feita por Maxwell em 1870. Existem muitos tesouros enterrados na história da ciência. Às vezes, ser um cientista é como ser um arqueólogo.”

Devido ao pequeno tamanho do verme, a força de arrasto é outra parte importante da equação. Os pesquisadores usaram a analogia de uma bola de boliche voando pelo ar, que não é muito afetada pelo arrasto, e uma pena que flutua, que é mais dependente dela.

Foram feitas execuções a partir dos dados experimentais para simular os efeitos da carga eletrostática combinada com várias velocidades do vento. Os resultados revelaram como uma brisa suave de 0,2 metros por segundo combinada com alta voltagem aumentou ainda mais a chance do verme atingir seu alvo.

Este trabalho serve como uma nova estrutura para estudos adicionais sobre o papel da eletrostática no meio ambiente.

“Vivemos num mundo eléctrico e a electricidade está à nossa volta, mas a electrificação de pequenos organismos tem permanecido muitas vezes um mistério”, diz Ortega-Jimenez. “Estamos desenvolvendo ferramentas para investigar muitas questões valiosas que cercam esse mistério”.

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa da Fundação WM Keck e uma bolsa de pós-doutorado Tarpton do Emory College of Arts and Sciences.