Gli esperimenti attuali supportano la controversa ipotesi che un concetto ben noto in fisica, un punto critico, sia alla base del comportamento sorprendente dei sistemi animali collettivi. I fisici del Cluster of Excellence Center for the Advanced Study of Collective Behavior dell'Università di Costanza hanno dimostrato che le particelle di micronuoto controllate dalla luce possono essere organizzate in stati collettivi come sciami e vortici. Studiando le particelle fluttuanti tra questi stati, forniscono prove per un comportamento critico e supporto per un principio fisico alla base del comportamento complesso dei collettivi. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

I gruppi di animali mostrano le caratteristiche apparentemente contraddittorie di essere sia robusti che flessibili. Immagina un banco di pesci:centinaia di individui in perfetto ordine e allineamento possono improvvisamente passare a un tornado convulso che schiva un attacco. I gruppi di animali beneficiano se riescono a trovare questo delicato equilibrio tra stabilità di fronte a "rumore" come vortici o raffiche di vento, ma reattività a cambiamenti importanti come l'approccio di un predatore.

Transizione critica

Come ottengano questo risultato non è ancora compreso. Ma negli ultimi anni, è emersa una possibile spiegazione:la criticità. In fisica, la criticità descrive i sistemi in cui una transizione tra stati come gas a liquido avviene in un punto critico. Si è sostenuto che la criticità fornisca ai sistemi biologici il necessario equilibrio tra robustezza e flessibilità. "La combinazione di stabilità e alta reattività è esattamente ciò che caratterizza un punto critico, ", afferma l'autore principale dello studio Clemens Bechinger, ricercatore principale presso il Centro per lo studio avanzato del comportamento collettivo e professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Costanza. "E quindi aveva senso testare se questo potesse spiegare alcuni dei modelli che vediamo nel comportamento collettivo".

L'ipotesi che gli stati collettivi si librano vicino a punti critici è stata studiata in passato in gran parte attraverso simulazioni numeriche. Nel nuovo studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , Bechinger e i suoi colleghi hanno fornito un raro supporto sperimentale alla previsione matematica. "Dimostrando uno stretto legame tra collettività e comportamento critico, le nostre scoperte non solo si aggiungono alla nostra comprensione generale degli stati collettivi, ma suggeriscono anche che i concetti fisici generali possono applicarsi ai sistemi viventi, "dice Bechinger.

Evidenze sperimentali

Negli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato perle di vetro rivestite su un lato da un cappuccio in carbonio e poste in un liquido viscoso. Quando illuminato dalla luce, nuotano come i batteri, ma con una differenza importante:ogni aspetto di come le particelle interagiscono con le altre, da come si muovono gli individui a quanti vicini si possono vedere, può essere controllato. Queste particelle di micronuoto consentono ai ricercatori di evitare le sfide del lavoro con sistemi viventi in cui le regole di interazione non possono essere facilmente controllate. "Noi progettiamo le regole nel computer, metterli in un esperimento, e guarda il risultato del gioco interattivo, "dice Bechinger.

Ma per garantire che il sistema fisico somigliasse ai sistemi viventi, i ricercatori hanno progettato interazioni che rispecchiavano il comportamento degli animali. Per esempio, controllavano la direzione in cui gli individui si muovevano in relazione ai loro vicini. Le particelle erano programmate o per nuotare dritte verso gli altri nel gruppo principale o per deviare da loro. A seconda di questo angolo di movimento, le particelle organizzate in vortici o sciami disordinati. E la regolazione incrementale di questo valore ha suscitato rapide transizioni tra un vortice e uno sciame disordinato ma ancora coeso. "Quello che abbiamo osservato è che il sistema può effettuare transizioni improvvise da uno stato all'altro, che dimostra la flessibilità necessaria per reagire a una perturbazione esterna come un predatore, "dice Bechinger, "e fornisce prove evidenti di un comportamento critico".

"Comportamento simile a gruppi di animali e sistemi neurali"

Questo risultato è "la chiave per comprendere come si sono evoluti i collettivi di animali, "dice il professor Iain Couzin, co-relatore del Center for the Advanced Study of Collective Behavior e Direttore del Department of Collective Behavior presso il Konstanz Max Planck Institute of Animal Behaviour. Pur non essendo coinvolto nello studio, Couzin ha lavorato per decenni per decifrare come il raggruppamento possa migliorare le capacità di rilevamento nei collettivi di animali.

Dice Couzin:"Le particelle in questo studio si comportano in modo molto simile a quello che vediamo nei gruppi di animali, e persino i sistemi neurali. Sappiamo che gli individui nei collettivi traggono vantaggio dall'essere più reattivi, ma la grande sfida in biologia è stata verificare se la criticità è ciò che consente all'individuo di diventare spontaneamente molto più sensibile al proprio ambiente. Questo studio ha confermato che ciò può verificarsi solo tramite proprietà fisiche emergenti spontanee. Attraverso interazioni molto semplici, hanno dimostrato che è possibile sintonizzare un sistema fisico su uno stato collettivo - criticità - di equilibrio tra ordine e disordine."

Dimostrando l'esistenza di un legame tra collettività e comportamento critico nei sistemi viventi, questo studio suggerisce anche come l'intelligenza dei collettivi possa essere ingegnerizzata in sistemi fisici. Al di là delle semplici particelle, la scoperta potrebbe aiutare a progettare strategie efficienti di dispositivi microrobotici autonomi con unità di controllo a bordo. "Simile alle loro controparti viventi, questi agenti in miniatura dovrebbero essere in grado di adattarsi spontaneamente alle mutevoli condizioni e persino di far fronte a situazioni impreviste che potrebbero verificarsi con il loro funzionamento vicino a un punto critico, "dice Bechinger.