Uma nova pesquisa mostra que um minúsculo verme parasita pode voar no ar até 25 vezes o seu comprimento e capturar insetos voadores com a ajuda da eletricidade estática. Os resultados da pesquisa foram publicados em Anais da Academia Nacional de CiênciasPreste atenção aos nematóides Steinernema Uma colaboração entre cientistas da Emory University e da University of California, Berkeley.
“Identificamos o mecanismo eletrostático que o verme usa para atingir seu alvo e demonstramos o quão importante esse mecanismo é para a sobrevivência do verme”, disse o coautor Justin Burton, professor de física na Universidade Emory, cujo laboratório liderou a análise matemática dos experimentos de laboratório. “Tensão mais alta, combinada com ventos fracos, aumenta muito a probabilidade de colêmbolos se conectarem com insetos voadores.”
“Poderíamos esperar encontrar grandes descobertas em animais grandes, mas os pequenos animais também guardam muitos segredos interessantes”, acrescentou Victor Ortega-Jiménez, professor assistente de biomecânica na UC Berkeley e co-autor principal, que liderou o trabalho experimental, usando um microscópio de alta velocidade para capturar imagens de vermes do tamanho de uma cabeça de alfinete disparando contra moscas da fruta carregadas.
Os pesquisadores descobriram que as asas dos insetos geram campos elétricos de centenas de volts à medida que se movem pelo ar. Essa carga induz uma carga oposta no corpo do verme, criando uma atração que une os dois. Eles confirmaram que o processo foi conduzido por indução eletrostática.
“Usando a física, aprendemos algo novo e interessante sobre as estratégias adaptativas dos organismos”, disse Ran Jiangshang, coautor do artigo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Burton. “Estamos ajudando a ser pioneiros no campo emergente da ecologia eletrostática.”
Outros colaboradores incluem Saad Bhamla e Sunny Kumar, da Georgia Tech, que estudaram a biomecânica entre espécies e conduziram experimentos preliminares, e o biólogo nematóide Adler Dillman, da Universidade da Califórnia, Riverside.
As vidas chocantes de pequenas criaturas
A eletricidade estática – a faísca que você sente quando toca uma maçaneta ou veste um suéter – é produzida quando os elétrons se acumulam e se descarregam repentinamente quando entram em contato com um condutor.
Embora seja apenas um breve incômodo para os humanos, os cientistas descobriram que a eletricidade estática desempenha um papel importante na sobrevivência e no comportamento de muitos pequenos organismos.
Em 2013, Ortega-Jimenez descobriu que as teias de aranha podem usar a carga elétrica de insetos próximos para atraí-las e prendê-las. Outras pesquisas mostram que as abelhas usam forças eletrostáticas para coletar pólen, os ácaros das flores usam a atração eletrostática para se agarrar aos beija-flores e as aranhas-balão dependem de fios carregados para percorrer longas distâncias.
Burton e Ortega-Jimenez também co-escreveram recentemente uma crítica Tendências em Parasitologia Estude como a eletricidade estática afeta os carrapatos.
“Os carrapatos podem ser apanhados do solo por animais peludos, puramente através da eletricidade estática no pêlo do animal”, explica Burton.
Em experimentos para testar esse fenômeno, Ortega-Jimenez desenvolveu uma técnica para controlar com precisão a carga elétrica de carrapatos amarrados. Esta inovação fornece o método que faltava para avançar na pesquisa de novos nematóides.
quando o verme saltador vira
No artigo atual, os pesquisadores esperam estudar como as forças eletrostáticas combinadas com a aerodinâmica afetam as taxas de sucesso mosca da fruta Conecte-se com insetos voadores.
mosca da fruta é uma lombriga ou nematóide não segmentado que mata insetos por meio de uma relação simbiótica com bactérias. Este verme prospera no solo de quase todos os lugares da Terra, exceto nas regiões polares. É cada vez mais utilizado para o controlo biológico de pragas agrícolas, e investigadores de todo o mundo estão a estudar como melhorar ainda mais a sua eficácia como pesticida natural.
Quando um verme sente um inseto acima de sua cabeça, ele se enrola e se lança no ar até 25 vezes o comprimento do seu corpo. Isso equivale a uma pessoa pulando mais de 10 andares.
“Acredito que esses nematóides estão entre os menores e melhores nematóides saltadores do mundo”, disse Ortega-Jimenez. Ele observa que durante seus saltos acrobáticos e vertiginosos, eles giram até 1.000 vezes por segundo.
Se o verme atingir o alvo, ele entra no corpo do inseto através de uma abertura natural. Em seguida, deposita bactérias simbióticas que matam o inseto em 48 horas. Depois que o hospedeiro morre, os vermes se alimentam das bactérias que se multiplicam e do tecido do inseto e põem ovos. Várias gerações podem ocorrer dentro da carcaça do inseto até que as larvas emerjam no ambiente para infectar outros insetos com a bactéria.
experimento meticuloso
Os pesquisadores desenvolveram experimentos para estudar a física envolvida na capacidade dos vermes de se conectarem com insetos voadores.
Na natureza, centenas de volts são gerados quando as asas dos insetos voadores se esfregam nos íons do ar. Os físicos precisam saber a carga exata das moscas-das-frutas usadas em modelos experimentais. Isso exigiu que Ortega-Jimenez controlasse a voltagem conectando um fio fino a uma fonte de energia de alta voltagem na parte de trás de cada mosca da fruta.
“É muito difícil colar arame em uma mosca da fruta”, disse ele. “Normalmente, levo meia hora, às vezes até uma hora.”
Outro desafio é determinar as condições corretas na configuração experimental para induzir o salto do verme. Ortega-Jimenez usa papel úmido como substrato. O papel deve estar suficientemente úmido, mas não muito molhado. Finalmente, os vermes necessitam de um leve sopro de ar ou de uma ligeira perturbação mecânica para saltar em direção à mosca suspensa.
Ortega-Jimenez conduziu dezenas de experimentos e os registrou com uma câmera especial de alta velocidade capaz de capturar as trajetórias aéreas de vermes submilimétricos, que são essencialmente invisíveis ao olho humano, a 10.000 quadros por segundo.
Ele também criou um túnel de vento em miniatura para alguns experimentos, para que os físicos pudessem analisar o efeito da brisa ambiente na taxa de sucesso alvo do verme.
Digitalização de dados
Ran usou um software de computador para digitalizar a trajetória do worm com base em cerca de 60 vídeos do experimento. O processo é demorado quando o worm sai do plano focal da câmera, fazendo com que a imagem fique desfocada, caso em que Ran precisa clicar com a mão para registrar sua posição.
Ran usa um algoritmo de computador chamado Markov Chain 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 conhecida por seus cassinos.)
“O MCMC permite realizar exploração estocástica usando diferentes conjuntos de parâmetros para determinar a probabilidade matemática de um resultado”, explica Ran.
Ran identificou um conjunto de 50.000 valores de parâmetros razoáveis para a trajetória de um único verme, como a voltagem do inseto, o tamanho físico e a velocidade de disparo do verme, para testar a probabilidade de que uma carga específica no verme faria com que ele atingisse seu alvo.
Na ausência de eletricidade estática, apenas 1 das 19 trajetórias do verme atingiram o alvo com sucesso.
O modelo mostrou que uma carga de várias centenas de volts – um nível de voltagem comum em insetos voadores – criaria uma carga oposta no colêmbolo e aumentaria significativamente suas chances de se conectar a um inseto aéreo. Uma carga de apenas 100 volts resulta em menos de 10% de chance de atingir o alvo, enquanto uma carga de 800 volts aumenta a probabilidade de sucesso para 80%.
Os vermes gastam muita energia para pular e correm o risco de serem predados ou secarem enquanto estão suspensos no ar.
“Nossos resultados mostram que sem eletricidade estática, teria sido inútil para esses vermes desenvolverem esse comportamento predatório saltitante”, disse Lang.
O passado e o futuro da ciência
Os pesquisadores especulam que a indução eletrostática é o mecanismo que impulsiona a interação entre o verme e seu alvo. A análise de artigos de pesquisa levou à lei da indução proposta pelo físico escocês James Clerk Maxwell.
“Maxwell foi um dos físicos mais prolíficos de todos os tempos, com uma imaginação selvagem semelhante à de Einstein”, disse Lang. “Acontece que nosso modelo do mecanismo de carga do verme é consistente com a previsão de indução eletrostática de 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, o arrasto é outra parte importante da equação. Os pesquisadores usaram uma bola de boliche voadora, que não é muito afetada pelo arrasto, e penas flutuantes que dependem fortemente do arrasto para comparação.
Ran usou dados experimentais para simular os efeitos da carga eletrostática combinada com velocidades variadas do vento. Os resultados revelaram como uma brisa fraca de apenas 0,2 metros por segundo combinada com tensões mais altas aumentou ainda mais a probabilidade do verme atingir o seu alvo.
Este trabalho fornece uma nova estrutura para uma investigação mais aprofundada do papel da eletrostática na ecologia.
“Vivemos num mundo eléctrico onde a electricidade está em todo o lado, mas a electricidade estática em pequenos organismos permanece um mistério”, disse Ortega-Jimenez. “Estamos desenvolvendo ferramentas para investigar muitas das questões mais valiosas que cercam este mistério”.
Este trabalho foi apoiado por bolsas da Fundação WM Keck e uma bolsa de pós-doutorado Tarbutton do Emory College of Arts and Sciences.
