Los experimentos actuales apoyan la controvertida hipótesis de que un concepto bien conocido en física, un punto crítico, está detrás del comportamiento sorprendente de los sistemas animales colectivos. Los físicos del Cluster of Excellence Center for the Advanced Study of Collective Behavior de la Universidad de Konstanz demostraron que se puede hacer que las partículas de micro natación controladas por luz se organicen en estados colectivos como enjambres y remolinos. Al estudiar las partículas que fluctúan entre estos estados, proporcionan evidencia de comportamiento crítico y apoyo a un principio físico que subyace al comportamiento complejo de los colectivos. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .

Los grupos de animales exhiben las características aparentemente contradictorias de ser robustos y flexibles. Imagínese un banco de peces:cientos de individuos en perfecto orden y alineación pueden pasar repentinamente a un tornado convulsionado esquivando un ataque. Los grupos de animales se benefician si pueden lograr este delicado equilibrio entre la estabilidad frente a "ruidos" como remolinos o ráfagas de viento, pero capacidad de respuesta a cambios importantes como el acercamiento de un depredador.

Transición crítica

Aún 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 gas a líquido, en un punto crítico. Se ha argumentado que la criticidad 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 a un punto crítico, "dice el autor principal del estudio, Clemens Bechinger, investigador principal del Centro de Estudios Avanzados de la Conducta Colectiva y profesor del Departamento de Física de la Universidad de Konstanz. "Así que tenía sentido probar si esto podía 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 mediante 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 estrecho entre la colectividad y el comportamiento crítico, Nuestros hallazgos no solo se suman a nuestra comprensión general de los estados colectivos, pero también sugieren que los conceptos físicos generales pueden aplicarse a los sistemas vivos, "dice Bechinger.

Evidencia experimental

En experimentos, los investigadores utilizaron perlas de vidrio recubiertas en un lado por una tapa de carbono y colocadas en un líquido viscoso. Cuando está iluminado por la luz, nadan como las bacterias, pero con una diferencia importante:cada aspecto de cómo las partículas interactúan con otras, desde cómo se mueven los individuos hasta cuántos vecinos se pueden ver, puede ser controlado. Estas micropartículas permiten a los investigadores evitar los desafíos de trabajar con sistemas vivos en los que las reglas de interacción no se pueden controlar fácilmente. "Diseñamos las reglas en la computadora, ponlos en un experimento, y mira el resultado del juego de interacción, "dice Bechinger.

Pero para asegurarse de que el sistema físico se pareciera a los sistemas vivos, los investigadores diseñaron interacciones que reflejaban el comportamiento de los animales. Por ejemplo, controlaban la dirección en la que se movían los individuos en relación con sus vecinos. Las partículas fueron programadas para nadar directamente hacia otras en el grupo principal o para desviarse de ellas. Dependiendo de este ángulo de movimiento, las partículas organizadas en remolinos o enjambres desordenados. Y ajustar gradualmente este valor provocó transiciones rápidas entre un remolino y un enjambre desordenado pero aún cohesivo. "Lo que observamos es que el sistema puede realizar transiciones repentinas de un estado a otro, que demuestra la flexibilidad necesaria para reaccionar a una perturbación externa como un depredador, "dice Bechinger, "y proporciona una clara evidencia de un comportamiento crítico".

"Comportamiento similar al de los grupos de animales y los sistemas neuronales"

Este resultado es "clave para comprender cómo han evolucionado los colectivos de animales, "dice el profesor Iain Couzin, co-ponente del Centro para el Estudio Avanzado del Comportamiento Colectivo y Director del Departamento de Comportamiento Colectivo del Instituto Konstanz Max Planck de Comportamiento Animal. Aunque no participó en el estudio, Couzin ha trabajado durante décadas para descifrar cómo la agrupación puede mejorar las capacidades de detección en colectivos de animales.

Dice Couzin:"Las partículas de este estudio se comportan de manera muy similar a lo que vemos en los grupos de animales, e incluso sistemas neuronales. Sabemos que los individuos en colectivos se benefician de ser más receptivos, pero el gran desafío en biología ha sido probar si la criticidad es lo que permite que el individuo se vuelva espontáneamente mucho más sensible 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 se puede sintonizar un sistema físico con un estado colectivo (criticidad) de equilibrio entre orden y desorden ".

Al demostrar la existencia de un vínculo entre la colectividad y el comportamiento crítico en los sistemas vivos, este estudio también insinúa cómo la inteligencia de los colectivos puede transformarse en sistemas físicos. Más allá de las partículas simples, el hallazgo podría ayudar a diseñar estrategias eficientes de dispositivos de microrrobótica autónomos con unidades de control integradas. "Al igual que sus homólogos vivos, Estos agentes en miniatura deben poder adaptarse espontáneamente a las condiciones cambiantes e incluso hacer frente a situaciones imprevistas que podrían lograrse mediante su operación cerca de un punto crítico. "dice Bechinger.