Este minúsculo verme usa eletricidade estática para caçar insetos voadores

“Identificamos o mecanismo eletrostático que este verme usa para atingir seu alvo e mostramos a importância desse mecanismo para a sobrevivência do verme”, diz o coautor Justin Burton, professor de física de Emory, cujo laboratório liderou as análises matemáticas de experimentos de laboratório. “A voltagem mais alta, combinada com um pequeno sopro de vento, aumenta muito as chances de um verme saltador se conectar a um inseto voador.”

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

Os pesquisadores descobriram que as asas de um inseto geram um campo elétrico de várias centenas de volts à medida que se movem pelo ar. Essa carga induz uma carga oposta no verme, criando uma atração que une os dois. Eles confirmaram que o processo é alimentado por indução eletrostática.

“Usando a física, aprendemos algo novo e interessante sobre uma 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 Saad Bhamla e Sunny Kumar, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, que estudam a biomecânica entre espécies e conduziram testes preliminares, bem como Adler Dillman, biólogo de nematóides da Universidade da Califórnia, em Riverside.

As vidas chocantes de pequenas criaturas

A eletricidade estática – a faísca que você sente ao tocar uma maçaneta ou vestir um suéter – ocorre quando os elétrons se acumulam e se descarregam repentinamente ao entrar em contato com um condutor.

Embora para os humanos seja um breve choque de aborrecimento, os cientistas estão descobrindo que a eletricidade estática desempenha um papel importante na sobrevivência e no comportamento de muitos pequenos organismos.

Em 2013, Ortega-Jiménez descobriu que as teias de aranha podem explorar a carga elétrica dos insetos próximos para atraí-los e prendê-los. Outros estudos mostraram que as abelhas usam forças estáticas para coletar pólen, os ácaros das flores se agarram aos beija-flores usando atração eletrostática e as aranhas-balão dependem de seda carregada para se deslocarem por longas distâncias.

Burton e Ortega-Jiménez também co-escreveram um comentário recente para Tendências em Parasitologia que examinou como a eletricidade estática afeta os carrapatos.

“Os carrapatos podem ser sugados do solo por animais fofinhos, puramente por meio da eletricidade estática do pelo do animal”, explica Burton.

Em experimentos que testaram esse fenômeno, Ortega-Jiménez desenvolveu uma técnica para controlar com precisão a carga elétrica de um carrapato amarrado. Essa inovação forneceu o método que faltava e era necessário para avançar com a nova pesquisa sobre nematóides.

À medida que o verme saltador gira

Para o artigo atual, os pesquisadores queriam investigar como as forças eletrostáticas, em combinação com a aerodinâmica, afetam a taxa de sucesso de S. carpocapsae para se conectar com um inseto voador.

S. carpocapsae é uma lombriga não segmentada, ou nematóide, que mata insetos por meio de uma relação simbiótica com bactérias. O verme prospera em solos de quase todos os lugares da Terra, exceto nos polos. É cada vez mais utilizado para o controlo biológico de pragas na agricultura, com investigadores de todo o mundo a estudar como aumentar 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 então se lança no ar a uma altura de até 25 vezes o comprimento do seu corpo. Isso equivale a um ser humano saltar mais alto que um prédio de 10 andares.

“Acredito que estes nematóides sejam alguns dos menores e melhores saltadores do mundo”, diz Ortega-Jiménez. Durante seus saltos acrobáticos e vertiginosos, ele observa, eles giram 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 suas bactérias simbióticas, que matam o inseto em 48 horas. Após a morte do hospedeiro, o verme se alimenta das bactérias que se multiplicam, bem como do tecido do inseto, e põe ovos. Várias gerações podem ocorrer no cadáver do inseto até que os vermes juvenis emerjam no ambiente para infectar outros insetos com bactérias.

Experimentos meticulosos

Os pesquisadores desenvolveram experimentos para investigar a física envolvida na habilidade do verme em se conectar com um inseto voador.

Na natureza, as asas de um inseto voador esfregando-se contra íons no ar podem gerar centenas de volts. Os físicos precisavam saber a carga exata das moscas da fruta utilizadas no modelo experimental. Isso exigiu que Ortega-Jiménez prendesse um pequeno fio conectado a uma fonte de alimentação de alta voltagem na parte de trás de cada mosca da fruta para controlar sua voltagem.

“É muito difícil colar um arame em uma mosca da fruta”, diz ele. “Normalmente, demorava meia hora, ou às vezes uma hora.”

Outro desafio foi identificar as condições certas para induzir os vermes na configuração experimental a saltar. Ortega-Jiménez utilizou substrato de papel umedecido. O papel tinha que estar molhado o suficiente, mas não muito molhado. Finalmente, um verme precisava do estímulo de uma suave lufada de ar ou de uma leve perturbação mecânica antes de dar o salto em direção a uma mosca da fruta suspensa.

Ortega-Jiménez conduziu dezenas de experimentos, registrando-os com uma câmera especial de alta velocidade capaz de capturar as trajetórias no ar dos vermes submilimétricos, que são essencialmente invisíveis ao olho humano, a 10.000 quadros por segundo.

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

Digitalizando os dados

Usando um software de computador, Ran digitalizou as trajetórias dos vermes, com base em cerca de 60 vídeos de experimentos. O processo era demorado nos casos em que um worm saía do plano focal da câmera, desfocando a imagem; nesse caso, Ran precisava clicar com a mão para registrar sua posição.

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

“O MCMC permite fazer explorações aleatórias, usando diferentes conjuntos de parâmetros, para determinar uma probabilidade matemática para um resultado”, explica Ran.

Ran identificou um conjunto de 50.000 valores plausíveis de parâmetros adequados para a trajetória de um único verme – como a voltagem do inseto, as dimensões físicas e a velocidade de lançamento do verme – para testar a probabilidade de uma carga específica em um verme permitir que ele atinja seu alvo.

Sem eletrostática, apenas uma das 19 trajetórias do verme atingiu o alvo com sucesso.

O modelo mostrou que uma carga de algumas centenas de volts – uma magnitude comumente encontrada em insetos voadores – gera uma carga oposta em um verme saltador e aumenta significativamente as chances de ele se conectar a um inseto no ar. Uma carga de apenas 100 volts resultou em uma probabilidade de atingir o alvo inferior a 10%, enquanto 800 volts aumentaram a probabilidade de sucesso para 80%.

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

“Nossas descobertas sugerem que, sem a eletrostática, não faria sentido que esse comportamento predatório saltitante tivesse evoluído nesses vermes”, diz Ran.

Ciência passado e futuro

Os pesquisadores teorizaram que a indução eletrostática era o mecanismo que conduzia a interação entre o verme e seu alvo. A análise de artigos de pesquisa acabou levando-os a uma lei de indução postulada pelo físico escocês James Clerk Maxwell.

“Maxwell, um dos físicos mais prolíficos de todos os tempos, tinha uma imaginação selvagem, semelhante à de Einstein”, diz Ran. “Acontece que o nosso modelo para o mecanismo de carregamento de vermes concordava com uma previsão para a indução eletrostática que Maxwell fez em 1870. Existem muitos tesouros enterrados na história científica. Às vezes, ser um cientista é como ser um arqueólogo.”

A força de arrasto foi outra parte fundamental da equação, devido ao pequeno tamanho do verme. Os pesquisadores comparam uma bola de boliche voando pelo ar, que não é muito afetada pela força de arrasto, e uma pena flutuante, que é altamente dependente dela.

Ran baseou-se nos dados experimentais para simular os efeitos da carga eletrostática combinada com várias velocidades do vento. Os resultados revelaram como a brisa mais fraca, de apenas 0,2 metros por segundo, combinada com uma voltagem mais elevada aumentou ainda mais a probabilidade de um verme atingir o seu alvo.

O trabalho serve como uma nova estrutura para futuras investigações sobre o papel da eletrostática na ecologia.

“Vivemos num mundo eléctrico, a electricidade está à nossa volta, mas a electrostática dos pequenos organismos continua a ser um enigma”, diz Ortega-Jiménez. “Estamos desenvolvendo ferramentas para investigar muitas outras questões valiosas que cercam esse mistério”.

O trabalho foi apoiado por uma bolsa da Fundação WM Keck e da Tarbutton Postdoctoral Fellowship do Emory College of Arts and Sciences.