Fysik princip forklarer orden og uorden af ​​sværme

Aktuelle eksperimenter understøtter den kontroversielle hypotese, at et velkendt begreb i fysik - et kritisk punkt - ligger bag kollektive dyresystemers slående adfærd. Fysikere fra Cluster of Excellence Center for Advanced Study of Collective Behavior ved University of Konstanz viste, at lyskontrollerede mikrosvømmende partikler kan fås til at organisere sig i kollektive tilstande såsom sværme og hvirvler. Ved at studere partiklerne, der svinger mellem disse tilstande, de giver bevis for kritisk adfærd – og støtte til et fysisk princip, der ligger til grund for kollektivernes komplekse adfærd. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Dyregrupper udviser de tilsyneladende modstridende egenskaber ved at være både robuste og fleksible. Forestil dig en fiskestime:Hundredvis af individer i perfekt orden og justering kan pludselig gå over til en krampagtig tornado, der undviger et angreb. Dyregrupper har gavn af, hvis de kan finde denne delikate balance mellem stabilitet over for "støj" som hvirvler eller vindstød, alligevel lydhørhed over for vigtige ændringer som et rovdyrs tilgang.

Kritisk overgang

Hvordan de opnår dette er endnu ikke forstået. Men i de senere år, en mulig forklaring er dukket op:kritikalitet. I fysik, kritikalitet beskriver systemer, hvor en overgang mellem tilstande såsom gas til væske sker på et kritisk punkt. Kritiskitet er blevet argumenteret for at give biologiske systemer den nødvendige balance mellem robusthed og fleksibilitet. "Kombinationen af ​​stabilitet og høj reaktionsevne er præcis, hvad der karakteriserer et kritisk punkt, " siger studiets hovedforfatter Clemens Bechinger, hovedefterforsker i Center for Advanced Study of Collective Behavior og professor ved Institut for Fysik ved Universitetet i Konstanz. "Og så det gav mening at teste, om dette kunne forklare nogle af de mønstre, vi ser i kollektiv adfærd."

Hypotesen om, at kollektive tilstande svæver i nærheden af ​​kritiske punkter, er tidligere blevet undersøgt i vid udstrækning gennem numeriske simuleringer. I den nye undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , Bechinger og hans kolleger har givet sjælden eksperimentel støtte til den matematiske forudsigelse. "Ved at demonstrere en tæt sammenhæng mellem kollektivitet og kritisk adfærd, vores resultater bidrager ikke kun til vores generelle forståelse af kollektive stater, men antyder også, at generelle fysiske begreber kan gælde for levende systemer, " siger Bechinger.

Eksperimentelt bevis

I eksperimenter, forskerne brugte glasperler, der var belagt på den ene side af en kulhætte og anbragt i en tyktflydende væske. Når den er oplyst af lys, de svømmer meget som bakterier, men med en vigtig forskel:Ethvert aspekt af, hvordan partiklerne interagerer med andre, fra hvordan individerne flytter til hvor mange naboer der kan ses, kan styres. Disse mikrosvømmende partikler giver forskerne mulighed for at undgå udfordringerne ved at arbejde med levende systemer, hvor regler for interaktion ikke let kan kontrolleres. "Vi designer reglerne i computeren, sætte dem i et eksperiment, og se resultatet af interaktionsspillet, " siger Bechinger.

Men for at sikre, at det fysiske system lignede levende systemer, forskerne designet interaktioner, der afspejlede dyrs adfærd. For eksempel, de kontrollerede den retning, individer bevægede sig i forhold til deres naboer. Partikler blev programmeret til enten at svømme lige mod andre i hovedgruppen eller til at afvige fra dem. Afhængig af denne bevægelsesvinkel, partiklerne organiseret i enten hvirvler eller uordnede sværme. Og trinvis justering af denne værdi fremkaldte hurtige overgange mellem en hvirvel og en uordnet, men stadig sammenhængende sværm. "Det, vi observerede, er, at systemet kan lave pludselige overgange fra den ene tilstand til den anden, som demonstrerer den nødvendige fleksibilitet til at reagere på en ekstern forstyrrelse som et rovdyr, " siger Bechinger, "og giver klare beviser for en kritisk adfærd."

"Samme adfærd som dyregrupper og neurale systemer"

Dette resultat er "nøgle til at forstå, hvordan dyrekollektiver har udviklet sig, " siger professor Iain Couzin, medtaler for Center for Advanced Study of Collective Behavior og direktør for afdelingen for kollektiv adfærd ved Konstanz Max Planck Institute of Animal Behavior. Selvom det ikke er involveret i undersøgelsen, Couzin har arbejdet i årtier for at tyde, hvordan gruppering kan forbedre sansningsevner i dyrekollektiver.

Couzin siger:"Partiklerne i denne undersøgelse opfører sig på en meget lignende måde, som vi ser i dyregrupper, og endda neurale systemer. Vi ved, at individer i kollektiver har gavn af at være mere lydhøre, men den store udfordring i biologien har været at teste, om kritikalitet er det, der tillader individet spontant at blive meget mere følsomt over for deres miljø. Denne undersøgelse har bekræftet, at dette kan ske blot via spontane opståede fysiske egenskaber. Gennem meget enkle interaktioner, de har vist, at man kan indstille et fysisk system til en kollektiv tilstand – kritisk – af balance mellem orden og uorden."

Ved at demonstrere eksistensen af ​​en forbindelse mellem kollektivitet og kritisk adfærd i levende systemer, denne undersøgelse antyder også, hvordan intelligensen af ​​kollektiver kan manipuleres i fysiske systemer. Ud over simple partikler, fundet kunne hjælpe med at designe effektive strategier for autonome mikrorobotikenheder med indbyggede kontrolenheder. "I lighed med deres nulevende modstykker, disse miniaturemidler skal være i stand til spontant at tilpasse sig skiftende forhold og endda klare uforudsete situationer, som kan opnås ved deres drift nær et kritisk punkt, " siger Bechinger.