Experimentos atuais apóiam a hipótese controversa de que um conceito bem conhecido na física - um ponto crítico - está por trás do comportamento surpreendente dos sistemas animais coletivos. Físicos do Centro de Excelência para o Estudo Avançado do Comportamento Coletivo da Universidade de Konstanz mostraram que as partículas de micro-natação controladas por luz podem ser organizadas em estados coletivos, como enxames e redemoinhos. Ao estudar as partículas que flutuam entre esses estados, eles fornecem evidências para o comportamento crítico - e suporte para um princípio físico subjacente ao comportamento complexo dos coletivos. Os resultados da pesquisa foram publicados em revista científica Nature Communications .

Os grupos de animais exibem as características aparentemente contraditórias de serem robustos e flexíveis. Imagine um cardume de peixes:centenas de indivíduos em perfeita ordem e alinhamento podem repentinamente fazer a transição para um tornado em convulsão se esquivando de um ataque. Os grupos de animais se beneficiam se eles podem atingir este equilíbrio delicado entre estabilidade em face do "ruído" como redemoinhos ou rajadas de vento, ainda a capacidade de resposta a mudanças importantes, como a abordagem de um predador.

Transição crítica

Como eles conseguem isso ainda não é compreendido. Mas nos últimos anos, uma possível explicação surgiu:criticidade. Na física, criticidade descreve sistemas nos quais uma transição entre estados, como gás para líquido, ocorre em um ponto crítico. Argumentou-se que a criticidade fornece aos sistemas biológicos o equilíbrio necessário entre robustez e flexibilidade. "A combinação de estabilidade e alta capacidade de resposta é exatamente o que caracteriza um ponto crítico, "diz o principal autor do estudo, Clemens Bechinger, investigador principal do Centro de Estudos Avançados do Comportamento Coletivo e Professor do Departamento de Física da Universidade de Konstanz. "Portanto, fazia sentido testar se isso poderia explicar alguns dos padrões que vemos no comportamento coletivo."

A hipótese de que estados coletivos estão pairando perto de pontos críticos foi estudada no passado em grande parte por meio de simulações numéricas. No novo estudo publicado em Nature Communications , Bechinger e seus colegas deram raro apoio experimental à previsão matemática. "Ao demonstrar uma ligação estreita entre coletividade e comportamento crítico, nossas descobertas não apenas adicionam ao nosso entendimento geral dos estados coletivos, mas também sugerem que os conceitos físicos gerais podem se aplicar a sistemas vivos, "diz Bechinger.

Evidência experimental

Em experimentos, os pesquisadores usaram contas de vidro revestidas de um lado por uma tampa de carbono e colocadas em um líquido viscoso. Quando iluminado pela luz, eles nadam como as bactérias, mas com uma diferença importante:cada aspecto de como as partículas interagem com outras, desde como os indivíduos se movem até quantos vizinhos podem ser vistos, pode ser controlado. Essas partículas de microalimentação permitem que os pesquisadores evitem os desafios de trabalhar com sistemas vivos nos quais as regras de interação não podem ser facilmente controladas. “Nós projetamos as regras no computador, coloque-os em um experimento, e observe o resultado do jogo de interação, "diz Bechinger.

Mas para garantir que o sistema físico tenha uma semelhança com os sistemas vivos, os pesquisadores projetaram interações que refletiam o comportamento dos animais. Por exemplo, eles controlavam a direção que os indivíduos se moviam em relação aos seus vizinhos. As partículas foram programadas para nadar em linha reta na direção de outras do grupo principal ou para se afastar delas. Dependendo deste ângulo de movimento, as partículas organizadas em redemoinhos ou enxames desordenados. E o ajuste incremental desse valor gerou transições rápidas entre um redemoinho e um enxame desordenado, mas ainda coeso. "O que observamos é que o sistema pode fazer transições repentinas de um estado para outro, que demonstra a flexibilidade necessária para reagir a uma perturbação externa como um predador, "diz Bechinger, "e fornece evidências claras de um comportamento crítico."

"Comportamento semelhante a grupos de animais e sistemas neurais"

Este resultado é "a chave para entender como os coletivos de animais evoluíram, "diz o professor Iain Couzin, co-palestrante do Centro de Estudos Avançados do Comportamento Coletivo e Diretor do Departamento de Comportamento Coletivo do Instituto de Comportamento Animal Konstanz Max Planck. Embora não esteja envolvido com o estudo, Couzin trabalhou durante décadas para decifrar como o agrupamento pode aumentar as capacidades de detecção em grupos de animais.

Diz Couzin:"As partículas neste estudo se comportam de maneira muito semelhante ao que vemos em grupos de animais, e até mesmo sistemas neurais. Sabemos que os indivíduos em coletivos se beneficiam por serem mais responsivos, mas o grande desafio da biologia tem sido testar se a criticidade é o que permite que o indivíduo se torne espontaneamente muito mais sensível ao ambiente. Este estudo confirmou que isso pode ocorrer apenas por meio de propriedades físicas emergentes espontâneas. Por meio de interações muito simples, eles mostraram que você pode ajustar um sistema físico a um estado coletivo - criticidade - de equilíbrio entre ordem e desordem. "

Ao demonstrar a existência de uma ligação entre a coletividade e o comportamento crítico nos sistemas vivos, este estudo também sugere como a inteligência dos coletivos pode ser projetada em sistemas físicos. Além de partículas simples, a descoberta pode auxiliar no projeto de estratégias eficientes de dispositivos microrrobóticos autônomos com unidades de controle a bordo. "Semelhante aos seus homólogos vivos, esses agentes em miniatura devem ser capazes de se adaptar espontaneamente às condições de mudança e até mesmo lidar com situações imprevistas que podem ser realizadas por sua operação perto de um ponto crítico, "diz Bechinger.