“Identificamos o mecanismo eletrostático que esse verme utiliza para atingir seu alvo e demonstramos a importância desse mecanismo para a sobrevivência do verme,” afirma o coautor Justin Burton, professor de física na Emory, cujo laboratório liderou as análises matemáticas dos experimentos realizados. “Um maior potencial elétrico, combinado com uma leve brisa, aumenta consideravelmente as chances de um verme saltador se conectar a um inseto voador.”

Victor Ortega-Jiménez, coautor principal e professor assistente de biomecânica na University of California, Berkeley, complementa: “Pode-se esperar grandes descobertas em animais grandes, mas os pequenos também guardam muitos segredos interessantes.” Ele liderou o trabalho experimental, utilizando microscopia de alta velocidade para registrar o movimento dos vermes do tamanho de uma ponta de agulha saltando em direção a moscas da fruta eletricamente carregadas.

Os pesquisadores descobriram que as asas de um inseto geram um campo elétrico de centenas de volts ao se moverem pelo ar. Essa carga induz uma carga oposta no verme, criando uma atração que os puxa juntos. Eles confirmaram que o processo é acionado pela indução eletrostática.

“Usando princípios físicos, aprendemos algo novo e interessante sobre uma estratégia adaptativa em um organismo,” diz Ranjiangshang Ran, coautor do artigo e pós-doutorando no laboratório de Burton. “Estamos ajudando a desenvolver o campo emergente da ecologia eletrostática.”

Outros colaboradores incluem Saad Bhamla e Sunny Kumar, do Georgia Institute of Technology, que estudam biomecânica em diversas espécies e conduziram testes preliminares, além de Adler Dillman, biólogo especialista em nematódeos na University of California, Riverside.

A vida surpreendente das criaturas diminutas

Eletricidade estática — o choque que você sente ao tocar um doorknob ou ao vestir um suéter — ocorre quando os elétrons se acumulam e se descarregam subitamente ao entrar em contato com um condutor.

Enquanto para os humanos isso é um pequeno incômodo, os cientistas estão descobrindo que a eletricidade estática desempenha um papel crucial na sobrevivência e no comportamento de muitos organismos pequenos.

Em 2013, Ortega-Jiménez descobriu que teias de aranha podem explorar a carga elétrica de insetos próximos para atraí-los e aprisioná-los. Outros estudos mostraram que as abelhas utilizam forças estáticas para coletar pólen, os ácaros de flores se agarram a beija-flores por meio da atração eletrostática e as aranhas que “voam” se valem de seda carregada para se deslocar por longas distâncias.

Burton e Ortega-Jiménez também coescreveram um comentário recente para a revista Trends in Parasitology, que examinou como a eletricidade estática afeta os carrapatos.

“Carrapatos podem ser puxados do chão por animais felpudos, puramente através da eletricidade estática na pelagem 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 preso. Essa inovação forneceu o método necessário para avançar com a nova pesquisa sobre os nematódeos.

À medida que o verme salta

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

S. carpocapsae é um nematódeo não segmentado que elimina insetos por meio de uma relação simbiótica com bactérias. O verme se desenvolve em solos em quase todas as partes do mundo, exceto nos Polos. Está se tornando cada vez mais utilizado para controle biológico de pragas na agricultura, com pesquisadores de todo o mundo estudando como aumentar sua eficácia como pesticida natural.

Quando o verme detecta um inseto acima dele, ele se curva em um laço e salta no ar até 25 vezes o seu comprimento. Isso equivale a um humano pulando mais alto do que um prédio de 10 andares.

“Acredito que esses nematódeos são alguns dos menores e melhores saltadores do mundo,” diz Ortega-Jiménez. Durante suas acrobáticas e vertiginosas saltos, ele observa que eles giram a 1.000 vezes por segundo.

Se o verme acerta o alvo, ele entra no corpo do inseto através de uma abertura natural. Em seguida, ele deposita suas bactérias simbióticas, que matam o inseto em até 48 horas. Após a morte do hospedeiro, o verme se alimenta das bactérias em multiplicação, assim como do tecido do inseto, e liberta ovos. Várias gerações podem ocorrer no cadáver do inseto até que os vermes juvenis emergem no ambiente para infectar outros insetos com bactérias.

Experimentos metódicos

Os pesquisadores elaboraram experimentos para investigar a física envolvida na habilidade do verme de conectar-se a 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. Para isso, Ortega-Jiménez precisou conectar um fio minúsculo a um suprimento de alta voltagem na parte de trás de cada mosca da fruta para controlar sua voltagem.

“É muito difícil colar um fio em uma mosca da fruta,” diz ele. “Geralmente, levava-me meia hora, ou às vezes uma hora.”

Outro desafio foi identificar as condições adequadas para induzir os vermes a saltar na configuração experimental. Ortega-Jiménez utilizou um substrato de papel umedecido. O papel tinha que estar molhado o suficiente, mas não excessivamente. Finalmente, um leve assopro de ar ou um pequeno distúrbio mecânico eram necessários para encorajar o verme a fazer o salto em direção a uma mosca da fruta suspensa.

Ortega-Jiménez conduziu dezenas de experimentos, gravando-os com uma câmera de alta velocidade capaz de capturar as trajetórias dos vermes invisíveis a olho nu, a 10.000 quadros por segundo.

Ele também criou um mini túnel de vento para alguns dos experimentos, permitindo que os físicos analisassem o papel da brisa ambiente na taxa de sucesso do verme ao atingir o alvo.

DIGITANDO OS DADOS

Usando software de computador, Ran digitalizou as trajetórias dos vermes, com base em cerca de 60 vídeos dos experimentos. O processo era demorado quando um verme saía do plano focal da câmera, o que borrava a imagem, exigindo que Ran clicasse manualmente para registrar sua posição.

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

“O MCMC permite que você faça explorações aleatórias, utilizando diferentes conjuntos de parâmetros, para determinar a probabilidade matemática de um resultado,” explica Ran.

Ran identificou um conjunto de 50.000 valores plausíveis de parâmetros ajustados 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 no verme permitindo que ele acerte seu alvo.

Sem a eletrostática, apenas um em cada 19 trajetórias do verme conseguiu alcançar o alvo.

O modelo mostrou que uma carga de alguns 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 de menos de 10%, enquanto 800 volts elevou essa probabilidade de sucesso a 80%.

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

“Nossos achados sugerem que, sem a eletrostática, não faria sentido esse comportamento predatório saltador ter evoluído nesses vermes,” diz Ran.

Ciência do passado e do futuro

Os pesquisadores teorizaram que a indução eletrostática era o mecanismo impulsionador da interação entre o verme e seu alvo. A busca por artigos de pesquisa eventualmente os levou a uma lei de indução proposta pelo físico escocês James Clerk Maxwell.

“Maxwell, um dos físicos mais prolíficos de todos os tempos, tinha uma imaginação semelhante à de Einstein,” destaca Ran. “Acontece que nosso modelo para o mecanismo de carga do verme concordou com uma previsão sobre indução eletrostática que Maxwell fez em 1870. Existem muitos tesouros enterrados na história da ciência. 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 um bola de boliche voando pelo ar, que é pouco afetada pela força de arrasto, a uma pena flutuante, que é altamente influenciada por ela.

Ran aproveitou os dados experimentais para simular os efeitos da carga eletrostática combinada a várias velocidades do vento. Os resultados revelaram como a mais leve brisa, de apenas 0,2 metros por segundo, combinada a uma voltagem mais alta, aumentou ainda mais a probabilidade de o verme acertar seu alvo.

Esse trabalho fornece uma nova estrutura para investigações adicionais sobre o papel da eletrostática na ecologia.

“Vivemos em um mundo elétrico; a eletricidade está ao nosso redor, mas a eletrostática dos pequenos organismos permanece, em grande parte, um enigma,” conclui Ortega-Jiménez. “Estamos desenvolvendo as ferramentas para investigar muitas outras questões valiosas em torno desse mistério.”

O trabalho foi apoiado por uma concessão da W.M. Keck Foundation e pela Tarbutton Postdoctoral Fellowship da Emory College of Arts and Sciences.