Los experimentos actuales apoyan la hipótesis controvertida de que un concepto bien conocido en física, un "punto crítico", está detrás del comportamiento llamativo de los sistemas animales colectivos. Físicos del Centro para el Estudio Avanzado del Comportamiento Colectivo de Físicos"en la Universidad de Konstanz demostró que las partículas de micro-natación controladas por luz pueden organizarse en diferentes estados colectivos, tales como enjambres y remolinos. Al estudiar las partículas que fluctúan entre estos estados, proporcionan evidencia de un comportamiento crítico, y respaldan un físicoprincipio subyacente al comportamiento complejo de los colectivos. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .
Los grupos de animales exhiben las características aparentemente contradictorias de ser robustos y flexibles. Imagine un banco de peces: cientos de individuos en perfecto orden y alineación pueden pasar repentinamente a un tornado convulsivo esquivando un ataque. Los grupos de animales se benefician si pueden atacar este delicadoequilibrio entre ser estable frente al "ruido" como remolinos o ráfagas de viento, pero responder a cambios importantes como el acercamiento de un depredador.
transición crítica
Todavía no se comprende cómo logran esto. Pero en los últimos años, ha surgido una posible explicación: la criticidad. En física, la criticidad describe sistemas en los que se produce una transición entre estados, como el gas al líquido en un punto críticoSe ha argumentado que la crítica proporciona a los sistemas biológicos el equilibrio necesario entre robustez y flexibilidad. "La combinación de estabilidad y alta capacidad de respuesta es exactamente lo que caracteriza un punto crítico", dice el autor principal del estudio, Clemens Bechinger, investigador principal en el Centro paraEstudio avanzado de comportamiento colectivo y profesor en el Departamento de Física de la Universidad de Konstanz, "por lo que tenía sentido probar si esto podría explicar algunos de los patrones que vemos en el comportamiento colectivo".
La hipótesis de que los estados colectivos se ciernen cerca de puntos críticos se ha estudiado en el pasado en gran medida a través de simulaciones numéricas. En el nuevo estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Bechinger y sus colegas han brindado un apoyo experimental poco común a la predicción matemática. "Al demostrar un vínculo cercano entre la colectividad y el comportamiento crítico, nuestros hallazgos no solo se suman a nuestra comprensión general de los estados colectivos, sino que también sugieren que los conceptos físicos generales pueden aplicarsea los sistemas vivos ", dice Bechinger.
evidencia experimental
En experimentos, los investigadores usaron cuentas de vidrio recubiertas en un lado por una tapa de carbón y colocadas en un líquido viscoso. Cuando se iluminan con luz, nadan como bacterias, pero con una diferencia importante: cada aspecto de cómo interactúan las partículas conotros, desde cómo se mueven los individuos hasta cuántos vecinos se pueden ver, se pueden controlar. Estas partículas de micro natación permiten a los investigadores evitar los desafíos de trabajar con sistemas vivos en los que las reglas de interacción no pueden controlarse fácilmente ".reglas en la computadora, ponerlas en un experimento y ver el resultado del juego de interacción ", dice Bechinger.
Pero para garantizar que el sistema físico se pareciera a los sistemas vivos, los investigadores diseñaron interacciones que reflejaban el comportamiento de los animales. Por ejemplo, controlaron la dirección en que los individuos se movían en relación con sus vecinos: las partículas estaban programadas para nadar rectashacia otros en el grupo principal o para desviarse de ellos. Dependiendo de este ángulo de movimiento, las partículas se organizaron en remolinos o enjambres desordenados. Y ajustando gradualmente este valor provocó transiciones rápidas entre un remolino y un enjambre desordenado pero aún cohesivo ".Lo que observamos es que el sistema puede hacer transiciones repentinas de un estado a otro, lo que demuestra la flexibilidad necesaria para reaccionar ante una perturbación externa como un depredador ", dice Bechinger," y proporciona evidencia clara de un comportamiento crítico ".
"Comportamiento similar a grupos de animales y sistemas neuronales"
Este resultado es "clave para comprender cómo han evolucionado los colectivos de animales", dice el profesor Iain Couzin, copresidente del Centro para el Estudio Avanzado del Comportamiento Colectivo y Director del Departamento de Comportamiento Colectivo del Instituto de Animales Konstanz Max PlanckComportamiento. Aunque no participó en el estudio, Couzin ha trabajado durante décadas para descifrar cómo la agrupación puede mejorar las capacidades de detección en los colectivos de animales.
Dice Couzin: "Las partículas en este estudio se comportan de manera muy similar a lo que vemos en los grupos de animales, e incluso en los sistemas neuronales. Sabemos que los individuos en colectivos se benefician de ser más receptivos, pero el gran desafío en biología ha sidoprobar si la criticidad es lo que permite que el individuo se vuelva mucho más sensible espontáneamente a su entorno. Este estudio ha confirmado que esto puede ocurrir solo a través de propiedades físicas emergentes espontáneas. A través de interacciones muy simples, han demostrado que puede sintonizar un sistema físico a un estado colectivo- criticidad - del equilibrio entre orden y desorden "
áreas de aplicación
Al demostrar la existencia de un vínculo entre la colectividad y el comportamiento crítico en los sistemas vivos, este estudio también sugiere cómo la inteligencia de los colectivos puede transformarse en sistemas físicos. Más allá de simples partículas, el hallazgo podría ayudar a diseñar estrategias eficientes de autonomíadispositivos de microrobotics con unidades de control a bordo. "Al igual que sus homólogos vivos, estos agentes en miniatura deberían poder adaptarse espontáneamente a las condiciones cambiantes e incluso hacer frente a situaciones imprevistas que podrían lograrse con su operación cerca de un punto crítico", dice Bechinger.
Datos clave:
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Constanza . Original escrito por Carla Avolio. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :