Nuvarande experiment stöder den kontroversiella hypotesen att ett välkänt begrepp inom fysiken-en kritisk punkt-ligger bakom det slående beteendet hos kollektiva djursystem. Fysiker från Cluster of Excellence Center for the Advanced Study of Collective Behavior vid University of Konstanz visade att ljusstyrda mikrosimpartiklar kan fås att organisera sig i kollektiva tillstånd som svärmar och virvlar. Genom att studera partiklarna som fluktuerar mellan dessa tillstånd, de ger bevis för kritiskt beteende - och stöd för en fysisk princip som ligger till grund för kollektivernas komplexa beteende. Forskningsresultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Djurgrupper uppvisar de till synes motsägelsefulla egenskaperna att vara både robusta och flexibla. Föreställ dig ett fiskstim:Hundratals individer i perfekt ordning och inriktning kan plötsligt övergå till en krampande tornado som undviker en attack. Djurgrupper tjänar på om de kan hitta denna känsliga balans mellan stabilitet inför "buller" som virvlar eller vindbyar, ändå lyhördhet för viktiga förändringar som ett rovdjurs tillvägagångssätt.

Kritisk övergång

Hur de uppnår detta är ännu inte förstått. Men under de senaste åren har en möjlig förklaring har dykt upp:kritikalitet. Inom fysiken, kritikalitet beskriver system där en övergång mellan tillstånd som gas till vätska sker vid en kritisk punkt. Kritiskhet har hävdats för att ge biologiska system den nödvändiga balansen mellan robusthet och flexibilitet. "Kombinationen av stabilitet och hög lyhördhet är exakt det som kännetecknar en kritisk punkt, "säger studiens huvudförfattare Clemens Bechinger, huvudutredare vid Center for the Advanced Study of Collective Behaviour och professor vid institutionen för fysik vid universitetet i Konstanz. "Och så var det vettigt att testa om detta kunde förklara några av de mönster vi ser i kollektivt beteende."

Hypotesen att kollektiva stater svävar nära kritiska punkter har tidigare studerats i stor utsträckning genom numeriska simuleringar. I den nya studien publicerad i Naturkommunikation , Bechinger och hans kollegor har gett sällsynt experimentellt stöd till den matematiska förutsägelsen. "Genom att visa en nära koppling mellan kollektivitet och kritiskt beteende, våra resultat bidrar inte bara till vår allmänna förståelse av kollektiva stater, men föreslår också att allmänna fysiska begrepp kan gälla levande system, säger Bechinger.

Experimentella bevis

I experiment, forskarna använde glaspärlor belagda på ena sidan av ett kollock och placerade i en viskös vätska. När den belyses av ljus, de simmar ungefär som bakterier, men med en viktig skillnad:Varje aspekt av hur partiklarna interagerar med andra, från hur individerna flyttar till hur många grannar som kan ses, kan kontrolleras. Dessa mikrosimmande partiklar gör det möjligt för forskarna att undvika utmaningarna med att arbeta med levande system där interaktionsregler inte lätt kan kontrolleras. "Vi utformar reglerna i datorn, sätta dem i ett experiment, och se resultatet av interaktionsspelet, säger Bechinger.

Men för att se till att det fysiska systemet liknade levande system, forskarna utformade interaktioner som speglade djurens beteende. Till exempel, de kontrollerade den riktning som individer rörde sig i förhållande till sina grannar. Partiklar programmerades antingen för att simma rakt mot andra i huvudgruppen eller att avvika från dem. Beroende på denna rörelsevinkel, partiklarna organiserade i antingen virvlar eller oordningssvärmar. Och stegvis justering av detta värde framkallade snabba övergångar mellan en virvel och en oordning men fortfarande sammanhängande svärm. "Vad vi observerade är att systemet kan göra plötsliga övergångar från ett tillstånd till ett annat, vilket visar den flexibilitet som behövs för att reagera på en yttre störning som ett rovdjur, "säger Bechinger, "och ger tydliga bevis för ett kritiskt beteende."

"Liknande beteende för djurgrupper och neurala system"

Detta resultat är "nyckeln till att förstå hur djurkollektiv har utvecklats, säger professor Iain Couzin, medföreläsare för Center for the Advanced Study of Collective Behavior och chef för Institutionen för kollektivt beteende vid Konstanz Max Planck Institute of Animal Behavior. Även om det inte är inblandat i studien, Couzin har arbetat i decennier för att dechiffrera hur gruppering kan förbättra avkänningsförmågan i djurkollektiv.

Couzin säger:"Partiklarna i den här studien beter sig på ett mycket liknande sätt som vi ser i djurgrupper, och till och med neurala system. Vi vet att individer i kollektiv tjänar på att vara mer lyhörda, men den stora utmaningen inom biologi har varit att testa om kritikalitet är det som gör att individen spontant blir mycket mer känslig för sin omgivning. Denna studie har bekräftat att detta kan inträffa bara via spontana framväxande fysiska egenskaper. Genom mycket enkla interaktioner, de har visat att man kan ställa in ett fysiskt system till ett kollektivt tillstånd – kritisk – av balans mellan ordning och oordning."

Genom att visa att det finns en koppling mellan kollektivitet och kritiskt beteende i levande system, denna studie tipsar också om hur kollektivens intelligens kan konstrueras till fysiska system. Utöver enkla partiklar, upptäckten kan hjälpa till med att utforma effektiva strategier för autonoma mikrorobotenheter med inbyggda kontrollenheter. "Liknar deras levande motsvarigheter, dessa miniatyragenter bör kunna spontant anpassa sig till förändrade förhållanden och till och med klara oförutsedda situationer som kan uppnås genom att de fungerar nära en kritisk punkt, säger Bechinger.