포식자가 나타나면 공에 얽힌 50,000마리의 벌레가 폭발적으로 풀립니다.

캘리포니아 흑벌레는 얽힌 벌레 공에서 탈출하는 데 도움이 되는 비틀기 동작을 보여줌으로써 매듭 묶기의 수학과 물리학에 기여합니다.

뒤엉킨 헤드폰으로 인해 어려움을 겪는 사람이라면 얽힌 코드를 푸는 일이 어렵다는 것을 알고 있을 것입니다. 그러나 캘리포니아 흑벌레에게는 꽉 묶인 매듭이 아무 것도 아닙니다. 이 작은 벌레는 수천 개씩 서로 뒤틀려 꿈틀거리는 스파게티 포크를 연상시키는 빽빽하게 들어찬 덩어리를 형성합니다. 이러한 엉킴이 형성되는 데는 몇 분이 걸리지만, 얽힌 검은벌레는 몇 밀리초 만에 자유롭게 꿈틀거릴 수 있습니다.

이제 과학자들은 다리가 없는 탈출 예술가들이 복잡한 근육과 뉴런의 단순한 집합만을 사용하여 촘촘하게 엉킨 곳에서 원활하게 빠져나오는 방법을 마침내 밝혀냈습니다. 스탠포드 대학의 응용 수학자 Vishal Patil은 “만약 벌레가 이 풀기 문제를 해결할 수 있다면 우리도 그렇게 할 수 있을 것이라고 생각했습니다.”라고 말했습니다. 오늘 사이언스(Science) 저널에 발표된 연구에서 Patil과 그의 동료들은 수학적 시뮬레이션을 사용하여 검은벌레가 빠르게 스스로를 풀기 위해 사용하는 움직임을 정확히 찾아냈습니다.

길이가 몇 센티미터에 불과한 캘리포니아 검은벌레(Lumbriculus variegatus)는 간과하기 쉽습니다. 그러나 수족관 물고기에게 흔한 땅벌레인 이 수생 벌레는 수적으로 강함을 보여줍니다. 수분을 보존하거나 온도를 유지하기 위해 5~50,000마리의 검은벌레가 뒤섞여 생물의 특징처럼 보이는 몸부림치는 덩어리를 형성합니다. 이러한 엉킴은 촘촘하지만, 포식성 잠수 딱정벌레의 가장 초기 징후가 보이면 살이 많은 벌레가 사방으로 꿈틀거립니다.

Harry Tuazon은 현재 생명공학 박사입니다. Georgia Institute of Technology의 한 학생은 실험실의 페트리 접시에서 꿈틀거리는 검은벌레를 관찰했을 때 거의 즉각적인 반응을 엿볼 수 있었습니다. “벌레 덩어리를 향해 자외선을 비추자 갑자기 폭발했습니다.”라고 그는 말합니다. “매혹적이었어요.”

Tuazon은 이 웜볼에 매료되었습니다. 이 웜볼은 눈 깜박할 사이에 불과한 수십 밀리초 만에 풀렸습니다. 그는 공의 복잡성을 높이기 위해 점차적으로 더 많은 동물을 혼합물에 추가하기 전에 개별 벌레의 움직임에 대한 현미경 비디오를 찍었습니다. 이러한 웜 웹 뒤에 숨어 있는 물리학을 풀기 위해 그는 당시 박사 학위를 취득한 Patil과 팀을 이루었습니다. 매사추세츠 공과대학의 매듭 기하학 및 기타 복잡한 시스템을 전문으로 하는 학생입니다.

Patil은 Tuazon이 작은 전기 충격에 반응하는 단일 벌레를 촬영한 현미경 비디오를 보고 흥미로운 점을 발견했습니다. 벌레는 자극에 반응하면서 머리를 시계 방향으로 움직인 후 방향을 바꾸고 시계 반대 방향으로 반복적으로 돌았습니다. 이로 인해 교번 나선형 파동으로 알려진 8자 모양 패턴이 만들어졌습니다.

벌레의 나선형 보행에 대한 정확한 수학적 모델을 만들기 위해 Patil은 개별 벌레가 엉킴 내부에서 어떻게 움직이는지 확인해야 했습니다. 웜볼은 놀랍게도 뚫을 수 없었기 때문에 Tuazon에게는 이것이 어려운 것으로 판명되었습니다. 벌레가 물에 잠겼기 때문에 엑스레이 촬영이 실패했습니다. 미세컴퓨터 단층촬영 스캔은 저해상도의 모습만을 제공했습니다. 마지막으로 Tuazon은 팀의 최선의 선택이 타당하다고 판단했습니다. 그는 젤라틴 안에 있는 살아있는 벌레 무리의 이미지를 만들기 위해 초음파 기계를 사용했습니다.

초음파 이미지를 통해 연구원들은 몸부림치는 뒤죽박죽 내부의 다른 벌레와 지속적으로 접촉하고 있는 개별 벌레의 움직임에 대한 46,000개 이상의 데이터 포인트를 플롯할 수 있었습니다. Patil과 그의 동료들은 벌레의 움직임에 대한 수학적 모델을 만들고 엉킴에 대한 3차원 시뮬레이션을 통해 이를 실행했습니다.

연구자들은 교번 나선형 보행 동작을 사용하면 벌레가 원활하게 스스로 풀릴 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 무척추동물이 대부분 한 방향으로 코르크 마개를 돌리는 약간 변경된 움직임이 엉킴을 만드는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다. "다른 방향의 감기로 전환하기 전에 한 방향으로 더 오랜 시간 동안 감기면 엉키는 현상이 발생합니다."라고 Patil은 말합니다. "웜이 시계 방향과 시계 반대 방향 사이를 빠르게 전환하면 얽힌 동작이 풀리게 됩니다."