Um minúsculo inseto parasita capaz de saltar até 25 vezes o comprimento do seu corpo no ar pode agarrar-se a insetos voadores com eletricidade estática, de acordo com uma nova pesquisa. Resultados, publicados PNASConcentre-se em nematóides Steinernema carpocapsae e vem de uma colaboração entre cientistas da Emory University e da University of California, Berkeley.
“Identificamos o mecanismo eletrostático que este verme usa para atingir seu alvo e mostramos a importância desse mecanismo para a sobrevivência do verme”, disse o coautor Justin Barton, professor de física de Emory, cujo laboratório liderou a análise matemática dos experimentos de laboratório. “A alta voltagem, combinada com uma pequena lufada de ar, aumenta muito a probabilidade de um verme saltador se conectar com um inseto voador.”
“Você pode esperar grandes descobertas em animais grandes, mas os animais pequenos também guardam muitos segredos interessantes”, acrescentou Victor Ortega-Jimenez, co-autor principal e professor assistente de biomecânica na Universidade da Califórnia, Berkeley. Ele liderou o trabalho experimental, usando microscopia de alta velocidade para capturar imagens de insetos do tamanho de pontas de agulhas se lançando contra moscas-das-frutas eletricamente carregadas.
Os pesquisadores descobriram que a asa de um inseto cria um campo elétrico de centenas de volts à medida que se move pelo ar. Essa carga induz uma carga oposta no verme, criando uma atração que une os dois. Eles confirmaram que o processo é impulsionado pela atração eletrostática.
“Usando a física, aprendemos algo novo e interessante sobre a estratégia adaptativa de um organismo”, disse 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 experimentos preliminares, bem como Adler Dillman, biólogo de nematóides da Universidade da Califórnia, em Riverside.
Vida trágica de pequenos animais
A eletricidade estática – a faísca que você sente ao tocar uma maçaneta ou vestir um suéter – ocorre quando elétrons são subitamente acumulados e descarregados em contato com um condutor.
Embora este seja um breve aborrecimento para os humanos, os cientistas estão descobrindo 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 aproveitam a carga elétrica dos insetos próximos para atraí-los e prendê-los. Outros estudos mostraram que as abelhas usam eletricidade estática para coletar pólen, os ácaros das flores se agarram aos beija-flores usando atração eletrostática e as aranhas-balão dependem de seda carregada para viajar longas distâncias.
Barton e Ortega-Jimenez co-escreveram um comentário recente para ele Tendências em Parasitologia Ele examina como a eletricidade estática afeta os carrapatos.
“Os carrapatos podem ser sugados do solo por animais peludos, puramente através da eletricidade estática do pelo do animal”, explica Burton.
Numa experiência para testar este fenómeno, Ortega-Jimenez desenvolveu uma técnica para controlar com precisão a carga eléctrica de um carrapato amarrado. Esta invenção fornece o método que faltava, necessário para avançar na pesquisa de novos nematóides.
À medida que o verme saltador gira
Para o artigo atual, os pesquisadores queriam investigar como as forças eletrostáticas, combinadas com a aerodinâmica, afetam as taxas de sucesso. S. carpocapsae Para se conectar com um inseto voador.
S. carpocapsae Uma lombriga não segmentada, ou nematóide, que 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, com investigadores de todo o mundo a estudar como manipular ainda mais a sua eficácia como pesticida natural.
Quando o inseto sente um inseto acima de sua cabeça, ele se enrola em um laço e então se 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 um dos menores e melhores saltadores do mundo”, disse Ortega-Jimenez. Durante seus saltos giratórios e acrobáticos, 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 de bactérias qualitativas, bem como de tecidos de insetos, e põe ovos. Várias gerações podem ocorrer dentro das carcaças dos insetos até que os vermes juvenis sejam liberados no ambiente para infectar outros insetos com bactérias.
Testes meticulosos
Os pesquisadores desenvolveram experimentos para investigar a física envolvida na capacidade do verme de se conectar com um inseto voador.
Na natureza, as asas de um inseto voador podem gerar centenas de volts contra os íons do ar. Os físicos precisavam saber a carga exata das moscas da fruta usadas no modelo experimental. Isso exigiu que Ortega-Jimenez conectasse um fio curto conectado a uma fonte de alimentação de alta voltagem na parte de trás de cada mosca da fruta para regular sua voltagem.
“Colar um arame em uma mosca da fruta é muito difícil”, diz ele. “Normalmente, levo meia hora ou às vezes uma hora.”
Outro desafio foi identificar as condições certas para o verme saltar na configuração experimental. Ortega-Jimenez usou uma camada de papel úmido. O papel deve estar suficientemente úmido, mas não muito molhado. Finalmente, um inseto precisava do encorajamento de uma suave lufada de ar ou de uma leve perturbação mecânica antes de saltar em direção a uma mosca da fruta pendurada.
Ortega-Jimenez conduziu dezenas de experimentos, registrando-os com uma câmera especial de alta velocidade capaz de capturar as trajetórias no ar de vermes submilimétricos, que são em grande parte invisíveis ao olho humano, a 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.
Digitalizando dados
Usando software de computador, Run digitalizou as trajetórias do worm, com base em vídeos de cerca de 60 experimentos. Esse processo era demorado quando um inseto saía do plano focal da câmera, desfocando a imagem, exigindo que Run clicasse manualmente para registrar sua posição.
Ran usou um algoritmo de computador conhecido como 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 famosa por seus cassinos.)
“O MCMC permite realizar uma pesquisa aleatória usando vários parâmetros para determinar uma probabilidade matemática para um resultado”, explica Run.
A execução identificou um conjunto de 50.000 valores plausíveis de parâmetros adequados para a trajetória de um único verme – como tensão do verme, dimensões físicas e 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 – normalmente encontrada em insetos voadores – cria uma carga reversa em um verme saltador e aumenta significativamente a probabilidade de ele se fixar em um inseto em pleno ar. Uma carga de apenas 100 volts resultou em menos de 10% de chance de atingir o alvo, enquanto 800 volts aumentaram a chance de sucesso para 80%.
Um inseto gasta muita energia para pular e corre o risco de predação ou dessecação enquanto está suspenso no ar.
“Nossas descobertas sugerem que, sem a eletrostática, esse comportamento de predador saltador não teria feito sentido ter evoluído nesses insetos”, disse Run.
Ciência passado e futuro
Os pesquisadores teorizaram que a atração eletrostática é o mecanismo que impulsiona a interação entre o verme e seu alvo. A pesquisa em documentos acabou levando-os a uma lei de indução estabelecida pelo físico escocês James Clerk Maxwell.
“Maxwell, um dos físicos mais prolíficos de todos os tempos, tinha uma imaginação selvagem como a de Einstein”, diz Run. “Acontece que o nosso modelo para o mecanismo de carga quente concorda com a previsão de Maxwell sobre a indução eletrostática em 1870. Existem muitos tesouros na história científica. Às vezes, ser um cientista é como ser um arqueólogo.”
A força de arrasto foi outra parte importante da equação devido ao pequeno tamanho do verme. Os pesquisadores compararam 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.
As execuções são extraídas de dados experimentais para simular os efeitos de cargas eletrostáticas combinadas com diferentes velocidades do vento. Os resultados revelaram como os ventos mais fracos, de apenas 0,2 metros por segundo, combinados com altas tensões aumentavam a probabilidade de um verme atingir o seu alvo.
O trabalho serve como uma nova estrutura para investigações adicionais sobre o papel da eletrostática na ecologia.
“Vivemos num mundo eléctrico, a electricidade está à nossa volta, mas a electrostática dos pequenos organismos permanece um mistério”, disse Ortega-Jimenez. “Estamos desenvolvendo ferramentas para explorar muitas outras questões valiosas em torno deste mistério.”
O trabalho foi apoiado por doações da Fundação WM Keck e uma bolsa de pós-doutorado Turbuton no Emory College of Arts and Sciences.
