Huidige experimenten ondersteunen de controversiële hypothese dat een bekend concept in de natuurkunde - een kritisch punt - achter het opvallende gedrag van collectieve dierlijke systemen zit. Natuurkundigen van het Cluster of Excellence Center for the Advanced Study of Collective Behaviour aan de Universiteit van Konstanz toonden aan dat lichtgestuurde microzwemmende deeltjes kunnen worden georganiseerd in collectieve toestanden zoals zwermen en wervelingen. Door de deeltjes te bestuderen die tussen deze toestanden fluctueren, ze leveren bewijs voor kritisch gedrag - en ondersteuning voor een fysiek principe dat ten grondslag ligt aan het complexe gedrag van collectieven. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Diergroepen vertonen de schijnbaar tegenstrijdige kenmerken van zowel robuust als flexibel. Stel je een school vissen voor:honderden individuen in perfecte staat en uitgelijnd kunnen plotseling overgaan in een stuiptrekkende tornado die een aanval ontwijkt. Dierengroepen hebben er baat bij als ze dit delicate evenwicht kunnen vinden tussen stabiliteit in het aangezicht van "lawaai" zoals wervelingen of windstoten, maar toch reageren op belangrijke veranderingen zoals de nadering van een roofdier.

Kritische overgang

Hoe ze dit bereiken, is nog niet duidelijk. Maar de laatste jaren is er is een mogelijke verklaring naar voren gekomen:kriticiteit. in de natuurkunde, kriticiteit beschrijft systemen waarin een overgang tussen toestanden zoals gas naar vloeistof plaatsvindt op een kritiek punt. Kritiek is aangevoerd om biologische systemen te voorzien van de noodzakelijke balans tussen robuustheid en flexibiliteit. "De combinatie van stabiliteit en hoge responsiviteit is precies wat een kritiek punt kenmerkt, " zegt de hoofdauteur van de studie, Clemens Bechinger, hoofdonderzoeker in het Center for the Advanced Study of Collective Behaviour en professor in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Konstanz. "En dus was het logisch om te testen of dit enkele van de patronen zou kunnen verklaren die we in collectief gedrag zien."

De hypothese dat collectieve toestanden in de buurt van kritieke punten zweven, is in het verleden grotendeels bestudeerd door middel van numerieke simulaties. In de nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Bechinger en zijn collega's hebben zeldzame experimentele ondersteuning gegeven aan de wiskundige voorspelling. "Door een nauw verband aan te tonen tussen collectiviteit en kritisch gedrag, onze bevindingen dragen niet alleen bij aan ons algemene begrip van collectieve staten, maar suggereren ook dat algemene fysieke concepten van toepassing kunnen zijn op levende systemen, ', zegt Bechinger.

Experimenteel bewijs

Bij experimenten, de onderzoekers gebruikten glasparels die aan één kant waren bedekt met een koolstofdop en in een stroperige vloeistof werden geplaatst. Wanneer verlicht door licht, ze zwemmen net als bacteriën, maar met een belangrijk verschil:elk aspect van hoe de deeltjes interageren met anderen, van hoe de individuen bewegen tot hoeveel buren er te zien zijn, gecontroleerd kan worden. Deze microzwemmende deeltjes stellen de onderzoekers in staat om de uitdagingen van het werken met levende systemen waarin interactieregels niet gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd, uit de weg te gaan. "We ontwerpen de regels in de computer, zet ze in een experiment, en bekijk het resultaat van het interactiespel, ', zegt Bechinger.

Maar om ervoor te zorgen dat het fysieke systeem leek op levende systemen, de onderzoekers ontwierpen interacties die het gedrag van dieren weerspiegelden. Bijvoorbeeld, ze bepaalden de richting die individuen bewogen ten opzichte van hun buren. Deeltjes waren geprogrammeerd om ofwel rechtstreeks naar anderen in de hoofdgroep te zwemmen of om van hen af ​​te wijken. Afhankelijk van deze bewegingshoek, de deeltjes georganiseerd in ofwel wervelingen of ongeordende zwermen. En het stapsgewijs aanpassen van deze waarde veroorzaakte snelle overgangen tussen een werveling en een ongeordende maar nog steeds samenhangende zwerm. "Wat we hebben waargenomen, is dat het systeem plotselinge overgangen kan maken van de ene toestand naar de andere, die de flexibiliteit demonstreert die nodig is om te reageren op een externe verstoring als een roofdier, " zegt Bechinger, "en levert duidelijk bewijs voor een kritisch gedrag."

"Vergelijkbaar gedrag als diergroepen en neurale systemen"

Dit resultaat is "de sleutel om te begrijpen hoe dierencollectieven zijn geëvolueerd, " zegt professor Iain Couzin, co-spreker van het Center for the Advanced Study of Collective Behaviour en directeur van de afdeling Collective Behaviour van het Konstanz Max Planck Institute of Animal Behaviour. Hoewel niet betrokken bij het onderzoek, Couzin heeft tientallen jaren gewerkt om te ontcijferen hoe groepering het waarnemingsvermogen in dierencollectieven kan verbeteren.

Couzin zegt:"De deeltjes in deze studie gedragen zich op een zeer vergelijkbare manier als wat we zien in diergroepen, en zelfs neurale systemen. We weten dat individuen in collectieven baat hebben bij meer responsieve, maar de grote uitdaging in de biologie is om te testen of het individu door kriticiteit spontaan veel gevoeliger kan worden voor zijn omgeving. Deze studie heeft bevestigd dat dit alleen kan gebeuren via spontaan optredende fysieke eigenschappen. Door zeer eenvoudige interacties, ze hebben aangetoond dat je een fysiek systeem kunt afstemmen op een collectieve staat - kritiek - van evenwicht tussen orde en wanorde."

Door aan te tonen dat er een verband bestaat tussen collectiviteit en kritisch gedrag in levende systemen, deze studie laat ook zien hoe de intelligentie van collectieven kan worden ingebouwd in fysieke systemen. Voorbij eenvoudige deeltjes, de bevinding zou kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiënte strategieën van autonome microrobotica-apparaten met ingebouwde besturingseenheden. "Net als hun levende tegenhangers, deze miniatuuragenten moeten zich spontaan kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden en zelfs kunnen omgaan met onvoorziene situaties die kunnen worden bereikt door hun operatie in de buurt van een kritiek punt, ', zegt Bechinger.