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这是一种不起眼的蠕虫，当数万个这种蠕虫聚集在一起，它们可以打成一个巨大的“结”；更令人诧异的是，这个复杂的结会在不到一眨眼的功夫顷刻散开。最近，科学家发现了它们快速打结与松解的秘密，并且与高深的拓扑学建立了奇妙的联系。这种神奇动物也登上了最新一期《科学》杂志。
自从新石器时期的古人开始结绳记事以来，绳结就伴随着人类的历史；对于今天的数学家来说，基于这些绳结形成的纽结，还构成了拓扑学的重要分支——纽结理论的基础。相比于人类，自然界的一些其他生物更擅长打结，以及解开这样的结。
一种名为夹杂带丝蚓（Lumbriculus variegatum，俗称加州黑色蠕虫）的环节动物，就因为在打结方面的“特异功能”而受到科学家的关注。虽然它们只有简单的肌肉和神经元，却演化出了高效管理自己身体的超能力：为了执行更复杂的生物学功能、并在干旱条件下保持身体的湿度，这些蠕虫选择了“报团”——少则几只，多则5万只，它们缠绕在一起，只要几分钟的时间就能形成一个错综复杂的球。
这还不是最惊人的。当它们面临捕食者的威胁时，更是只需要几毫秒，就能解开这个结！如果你有过耳机线缠成一团的经历，一定知道解开缠结有多痛苦。但这些用生命去打结的生物，用不到一眨眼的功夫，就能从缠结中脱生，避免被“团灭”的风险。
▲夹杂带丝蚓形成的缠结（图片来源：Harry Tuazon/佐治亚理工学院）
这种神奇动物引起了佐治亚理工学院Saad Bhamla教授的注意，他好奇的是，这些蠕虫是如何“打结”，并且快速解开缠结的。为此，他们需要解开这些动作背后的力学机制。和我们用绳子打的结不同，这些活物主动打的缠结，让问题变得更加令人着迷。
在实验室中，研究团队找来了一批夹杂带丝蚓，观察并拍摄它们组成缠结的过程，以捕捉动作的细节。同时，他们还用紫外线来模拟这些蠕虫遭遇的威胁。在紫外线照射的瞬间，蠕虫组成的团块像爆炸一般迅速散开了。
▲在实验室中，夹杂带丝蚓形成缠结的过程（视频来源：Harry Tuazon/佐治亚理工学院）（恐虫者慎点）
▲夹杂带丝蚓在一瞬间解开缠结的过程（视频来源：Harry Tuazon/佐治亚理工学院）（恐虫、密恐者慎点）
为了找到能捕捉蠕虫运动的确切数据，这些科学家需要寻找一种成像技术。在考虑了包括X射线、断层扫描、共聚焦显微镜在内的多种技术后，最终的解决方案却是出人意料地简单——超声。他们将蠕虫组成的圆球放在无毒的胶质中，这些小动物的蠕动会变得更慢，从而为研究团队利用超声观测错综复杂的缠结内部提供了条件。接下来便是一项坚苦卓绝的工作：为了了解运动背后的数学，研究团队手动追踪绘制了46000个数据点。
研究团队注意到，蠕虫在逃离缠结时，是以8字形的方式移动的：它们的头部先按照顺时针，然后迅速切换成逆时针的方式螺旋转动，它们的身体也会相应地跟着运动。
▲夹杂带丝蚓移动的螺旋式步态（图片来源：佐治亚理工学院）
研究人员分析称，这种螺旋步态可能是它们形成和快速打开缠结的关键。
但要明确这一点，还需要建立数学模型。于是，这些生物分子工程方向的科学家与麻省理工学院（MIT）研究拓扑学的数学家Jörn Dunkel教授展开了合作。
当Dunkel教授和当时的博士生Vishal Patil看到视频，他们迫不及待地加入了这个项目。在他们看来，这些蠕虫为研究拓扑原理提供了很好的平台。
MIT的数学家们建立了一个数学模型，用于解释螺旋步态如何导致缠结和打开。根据这个模型，这些缠结是高度互动的系统，每个蠕虫至少与另外两个蠕虫形成缠结，这解释了蠕虫缠结为何如此紧凑。
▲研究团队模拟了蠕虫形成缠结的过程（视频来源：Vishal Patil/MIT）
此外，同一种螺旋步态还可以解释它们是如何解开缠结的。由单个蠕虫运动产生的共振调谐螺旋波，能够实现集体性的缠结和快速松解。研究团队的模拟结果与真实的超声图像非常接近，表明螺旋运动使得缠结与超快的解缠结成为可能。
▲模拟的蠕虫解开缠结过程（视频来源：Vishal Patil/MIT）
令人吃惊的是，这些缠结的结构极其复杂，是无序、复杂的结构，但这些生物能操纵这些缠结，发挥关键的生物学功能。
虽然几十年前，人们就知道蠕虫以螺旋步态运动，但没有人将这种运动与它们的松解联系起来。这项研究展示了蠕虫的机械运动如何决定了它们集体行为和拓扑动力学。
综上，这些发现揭示了一个通用的动力学原理，为工程多功能结构和材料提供通用的范式。受这些蠕虫启发，未来的生物材料可能会通过借助力学、几何与运动之间的相互作用，来挑战传统结构的极限。
同期的视角文章指出：“通过结合拓扑学、应用数学和工程学等方法，作者得到了一个活跃的缠结和解缠结的通用模型，后者为活性物质的构建提供了新的见解。”
参考资料：
[1] Vishal P. Patil et al, Ultrafast reversible self-assembly of living tangled matter, Science (2023). DOI: 10.1126/science.ade7759
[2] Eleni Panagiotou, Following the entangled state of filaments, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adh4055
[3] Unraveling the mathematics behind wiggly worm knots. Retrieved Apr. 27, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/987196
[4] Blobs of worms untangle in milliseconds with a corkscrew wiggle. Retrieved Apr. 27. 2023 from https://www.newscientist.com/article/2370982-blobs-of-worms-untangle-in-milliseconds-with-a-corkscrew-wiggle/