Препятствия помогают червям двигаться быстрее

Исследователи из Лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета обнаружили, что препятствия на пути организма могут помочь ему двигаться быстрее, а не медленнее. Результаты экспериментов и компьютерного моделирования опубликованы в Journal of the Royal Society Interface. Они важны для понимания базовых стратегий передвижения в биологии, а также выживания и размножения паразита, вызывающего малярию.

Нематоды (очень мелкие черви) и многие другие организмы используют змеевидные извивающиеся движения для перемещения по сухим поверхностям и в жидкостях. Однако часто микроскопическим организмам приходится двигаться в заполненной жидкостью среде, усеянной препятствиями, сопоставимыми по размеру с самими пловцами. С такими барьерами сталкиваются почти все микроскопические нематоды длиной около одного миллиметра при движении во влажной почве — её гранулы служат препятствиями. Аналогично, мужские гаметы (репродуктивные клетки) паразита малярии должны проплыть через плотную суспензию клеток крови хозяина для размножения. Похожая ситуация возникает для сперматозоидов, движущихся по репродуктивному тракту.

В исследовании группа Лаборатории прикладной математики стремилась понять, насколько эффективно такие извивающиеся организмы могут двигаться в жидкостях с препятствиями. Для этого они сравнили эксперименты с живыми червями (нематодой C. elegans) с результатами компьютерной модели червя в виртуальной среде. В эксперименте черви плавали в очень мелком бассейне, заполненном решёткой из препятствующих микростолбиков, а компьютерное моделирование дало эталон движения червя «вслепую», без сенсорного восприятия и реакции.

Неожиданно C. elegans смогла продвигаться через решётку препятствий гораздо быстрее, чем через жидкость без помех.

«Если решётка не слишком плотная и не слишком свободная, черви движутся намного быстрее, проскальзывая между столбиками и отталкиваясь от них», — пишут исследователи.

Вторым сюрпризом стало то, что компьютерная симуляция дала очень похожие результаты, воспроизведя быстрое движение червя в решётке, а также показав сложное «живоподобное» поведение, которое ранее интерпретировалось как результат сенсорного восприятия и реакции червя на локальную среду.

Эти результаты углубляют понимание биологического движения в сложных средах, таких как почва или репродуктивный тракт, показывая, как реальные организмы могут использовать кажущуюся враждебной сложность. Они также предлагают интригующие идеи о том, как можно прервать репродуктивные процессы опасных паразитов.