Obracają się nawet tysiąc razy na sekundę. Niezwykły sukces małych łowców

W świecie mikroskopijnych organizmów fizyka rządzi się własnymi prawami. Dla pasożytniczych nicieni z rodzaju Steinernema to właśnie te prawa stanowią o przetrwaniu. Badacze z University of California w Berkeley i Emory University opisali w „Proceedings of the National Academy of Sciences” mechanizm, który pozwala tym robakom dosłownie wyskakiwać w powietrze i przyklejać się do latających owadów.

Kiedy nicienie wyczuwają wibracje lub ruch powietrza generowany przez przelatującą muchę owocową (Drosophila melanogaster), zwijają się w pętlę i wystrzeliwują w górę – nawet 25 razy wyżej niż długość ich ciała. To mniej więcej tak, jakby człowiek przeskoczył dziesięciopiętrowy budynek. W trakcie lotu obracają się nawet tysiąc razy na sekundę.

„Uważam, że to jedne z najmniejszych, a jednocześnie najlepszych skoczków na świecie” – mówi dr Victor Ortega-Jiménez z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, główny autor badania. Jak dodaje dr Ranjiangshang Ran z Emory University, „dzięki fizyce udało nam się odkryć zupełnie nową strategię przystosowawczą u organizmu, który wydawał się już dobrze poznany”.

Sekret tkwi w elektryczności statycznej

Zespół badaczy od lat analizuje, jak elektryczność statyczna wpływa na zachowanie zwierząt. Wcześniej udowodniono, że kleszcze potrafią wykorzystać ładunki w sierści gospodarza, by się do niego przyciągnąć, a pajęcze sieci łapią owady częściowo dzięki siłom elektrostatycznym.

Podczas nowych eksperymentów naukowcy przyjrzeli się, jak S. carpocapsae reagują na pole elektryczne wytwarzane przez owady. Okazało się, że machające skrzydłami muszki owocowe wytwarzają setki woltów napięcia. W laboratorium do pleców owadów przyklejano cienkie druciki, by precyzyjnie zmierzyć ich potencjał elektryczny.

Z kolei nicienie umieszczano na wilgotnym papierze – środowisku zbliżonym do naturalnego, w jakim żyją w glebie. By zachęcić je do skoku, podmuch powietrza symulował zbliżającą się ofiarę. Całość obserwowano za pomocą kamery nagrywającej 10 tys. klatek na sekundę.

Efekt był zdumiewający: gdy mucha była naładowana dodatnio, nicienie uzyskiwały ładunek ujemny i dosłownie przyciągały się do niej w powietrzu. Bez elektrostatyki tylko jeden z dziewiętnastu skoków kończył się sukcesem. Z ładunkiem – wszystkie.

Jak to możliwe, że tak mały organizm potrafi „naładować się” elektrycznie? Naukowcy ustalili, że kluczowy jest efekt indukcji elektrostatycznej. Gdy mucha zbliża się do nicienia, jej dodatni ładunek powoduje, że w ciele robaka przemieszczają się elektrony. Nicienie, dotykając wilgotnego, uziemionego podłoża, przyjmują ładunek przeciwny, po czym w momencie skoku zostają przyciągnięte do dodatnio naładowanego owada.

Ładunek jednego nicienia wynosi około 0,1 pikokulomba – tyle, ile przewidywałby wzór Jamesa Clerka Maxwella dla przewodzącej kuli o podobnych rozmiarach. „To niezwykłe, że te mikroskopijne stworzenia tak wiernie realizują prawa fizyki, które opisano w XIX wieku” – podkreśla Ortega-Jiménez.

Symulacje komputerowe potwierdziły, że przy napięciu około 500-700 V, typowym dla wielu owadów w locie, prawdopodobieństwo udanego „przyczepienia się” nicienia do gospodarza wzrasta z 10 do ponad 60 proc.

Pasożyt, który zabija błyskawicznie

Gdy S. carpocapsae dotrze do celu, sytuacja dla muchy staje się beznadziejna. Nicienie wnikają do wnętrza ciała przez otwory oddechowe lub inne naturalne szczeliny. Wewnątrz uwalniają bakterie symbiotyczne, które w ciągu 48 godzin zabijają gospodarza i rozkładają jego tkanki. Pasożyt następnie odżywia się bakteriami i martwym ciałem, a po kilku dniach składa w nim jaja.

Ten mroczny cykl życia ma jednak także jasną stronę – z punktu widzenia człowieka. Nicienie z rodzaju Steinernema są stosowane jako naturalne biopestycydy w rolnictwie, ograniczając populacje larw szkodników. Dzięki lepszemu zrozumieniu ich fizyki ruchu można będzie skuteczniej wykorzystywać je w uprawach.

Wiatr i deszcz w służbie pasożyta

Badacze zauważyli też, że wiatr może zwiększać skuteczność polowania. W specjalnym tunelu aerodynamicznym nicienie potrafiły dryfować w poziomym strumieniu powietrza i docierać do ofiary nawet z kilku milimetrów dalej. To tak, jakby człowiek, wykonując skok w bok, został porwany przez powiew i wylądował prosto na biegnącym jeleniu.

Symulacje pokazały, że przy umiarkowanej prędkości wiatru – około 0,2 metra na sekundę – szansa na udane „złapanie” ofiary wzrasta jeszcze o kilkanaście procent. To dowód, że w środowisku naturalnym siły wiatru i elektryczności współdziałają, umożliwiając nicieniom przetrwanie.

Choć nicienie to typowe organizmy glebowe, autorzy pracy sugerują, że mogą także unosić się w atmosferze. Wcześniejsze obserwacje wykazały, że podobne mikroskopijne stworzenia – bakterie, zarodniki czy pyłki – potrafią przebyć w powietrzu dziesiątki kilometrów. Wystarczy kropla deszczu lub silny podmuch wiatru.

„Możliwe, że elektrostatyka pomaga im nawet dostać się do chmur” – piszą autorzy badania. Nicienie przyczepione do naładowanych kropli wody mogłyby przemieszczać się w prądach wznoszących, a następnie opadać z deszczem w nowych miejscach. To tłumaczyłoby ich szerokie rozprzestrzenienie geograficzne.

Od błyskawic po biologię

Odkrycie zespołu Ortega-Jiméneza i Rania jest kolejnym przykładem tego, jak zjawiska atmosferyczne wpływają na mikroświat. Wiemy już, że pszczoły i motyle wykorzystują różnice ładunków, by efektywniej zapylać kwiaty, a pajęcze sieci potrafią przyciągać owady elektrostatycznie. Teraz do tej listy dołączają pasożytnicze nicienie, które nauczyły się używać tych samych sił, by przeskakiwać z ziemi na swoje ofiary.

To również przykład, jak fizyka i biologia przenikają się na najbardziej podstawowym poziomie. „Nasz model matematyczny łączy mechanikę płynów, elektrostatykę i dane z kamer wysokiej prędkości. Dzięki temu możemy lepiej zrozumieć, jak środowisko kształtuje zachowania organizmów nawet w mikroskali” – mówi Ortega-Jiménez.

Mikroświat pełen napięcia

Badanie potwierdza, że w świecie mikroorganizmów natura nie zna granic między dyscyplinami. Ruchy powietrza, wilgotność, ładunki elektryczne i grawitacja współtworzą ekosystem, w którym nawet mikroskopijny robak może wykorzystywać prawa fizyki do skutecznego polowania.

Wnioski z pracy mają znaczenie nie tylko akademickie. Poznanie zasad elektrostatycznego przyciągania może pomóc w projektowaniu lepszych środków biologicznych do zwalczania szkodników czy w rozumieniu rozprzestrzeniania się pasożytów w zmieniającym się klimacie.

Jak piszą autorzy w „PNAS”, „skakanie byłoby całkowicie nieskuteczne bez elektrostatyki”. Nicienie nie przewidują trajektorii swojej ofiary – wystarczy, że zbliżą się wystarczająco, by fizyka zrobiła resztę.