Encontró el efecto del caos en las bandadas de animales y sus manadas.

Newswise – Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM) han descubierto un cambio de fase entre estados de caos que puede aparecer en manadas de animales y, en particular, en enjambres de insectos. Este avance puede ayudar a comprender mejor su comportamiento o podría aplicarse al estudio del movimiento de células o tumores.

Una transición de fase ocurre cuando las condiciones de un sistema cambian drásticamente, por ejemplo, cuando el agua cambia de un estado líquido a un estado sólido cuando se congela. En este artículo, publicado recientemente en Physical Review E, este grupo de matemáticos encontró tal fenómeno en los enjambres. Los insectos en un enjambre permanecen en un volumen finito, incluso si están en un jardín o en un espacio abierto.Para ilustrar esto, asumimos que existe un potencial armónico, algún tipo de fuerza de recuperación que los confina (como la fuerza de un resorte que intenta volver a su posición de reposo cuando lo estiramos o lo contraemos) Uno de los autores del estudio, Louis L. Bonilla, director del Instituto Gregorio Milan Barbani de la UCLA en 3M.

Este confinamiento de insectos responde a la constante proporcional fuerza-desplazamiento. Los investigadores encontraron que para valores bajos de confinamiento, el movimiento de los insectos en el enjambre es caótico (sus movimientos cambian con frecuencia si cambian las condiciones iniciales). En este contexto, el cambio de fase ocurre cuando un enjambre se divide en varios enjambres que están estrechamente relacionados entre sí, ya que hay insectos que se mueven de uno a otro. En la línea crítica entre las etapas de esta metamorfosis, la distancia entre dos insectos en el enjambre que se afectan entre sí es proporcional al tamaño del enjambre, incluso si el número de insectos en el enjambre crece indefinidamente. Esto se llama «caos sin escala» y aún no se ha descubierto, según los investigadores. “A medida que aumenta el número de insectos, la línea crítica se acerca a cero. Lo que sucede es que la distancia máxima entre dos insectos que todavía sienten la influencia del otro es proporcional al tamaño del enjambre. No importa cuántos insectos pongamos. en él. Eso representa una novedad absoluta que descubrimos «.

En concreto, lo que los matemáticos han predicho a través de simulaciones numéricas es que ciertos enjambres de insectos (concretamente una clase de diminutas moscas) tienen un comportamiento caótico y sin escamas, lo que se traduce en ciertas leyes de fuerza con soportes similares a los que se miden en la naturaleza. También encuentran una teoría de campo medio simplificada que admite la transformación de fase caótica sin escala. “Sería bueno buscar y encontrar la transformación de fase entre fases caóticas que esperaríamos, ya sea en observaciones en la naturaleza o en estudios controlados de laboratorio”, dice uno de los autores del artículo, el matemático de la UCM Rafael González Albaladejo, también asociado con Instituto Universidad Gregorio Milan Barbani, ca a 3m.

Los investigadores explican que la formación de bandadas es una de las manifestaciones de la llamada «materia activa», que consiste en algo así como individuos autopropulsados ​​que forman un todo. Puede ser un enjambre de insectos, un rebaño de ovejas, una bandada de pájaros, un banco de peces, pero también bacterias móviles, melanocitos (células que distribuyen pigmentos en la piel) o sistemas artificiales como granos o semillas agitados periódicamente de forma irregular. “En algunos de estos sistemas intervienen mecanismos de formación de rebaños, por lo que los resultados que obtuvimos se pueden vincular a la biología, al estudio de las células y, posteriormente, al estudio de tumores y otras enfermedades”, añade Rafael González-Balladejo.

¿Cómo se mueven tantos animales al unísono? Estos investigadores muestran que cada individuo siente solo a sus vecinos y se mueve en consecuencia, aunque no tiene perspectiva sobre el movimiento de toda la manada. Y dependiendo de si usan la vista, el oído o las vibraciones del líquido en el que están sumergidos, la percepción de un vecino puede cambiar bastante. Las ovejas se mueven juntas para ver y sentir a quienes las rodean, mientras que los pájaros en un rebaño ven a sus vecinos más cercanos, incluso si están lejos unos de otros. «Moverse en consecuencia puede significar que se están moviendo en la misma dirección que sus vecinos (la base) o pueden adoptar diferentes estrategias según la situación. Por ejemplo, si la multitud está tratando de salir de un corral lleno de gente con más de una puerta, hay tiempos en que es bueno no seguir a los prójimos”.

Los matemáticos tardaron unos dos años en realizar este trabajo de investigación. Inicialmente, se propusieron explicar los experimentos estudiando una transición de fase convencional entre una multitud de insectos que llenan un vacío con una densidad constante y se vuelven ordenados cuando se pasa un valor crítico del parámetro de control (por ejemplo, eliminando el ruido). Pero luego decidieron agregar una posibilidad combinatoria al confinamiento en enjambre y explorar qué sucede cuando la fuerza de atracción entre individuos disminuye. «Descubrimos muchos más estados periódicos, cuasi periódicos y, en última instancia, caóticos para un número fijo de insectos que aumentamos. Sorprendentemente, la transición entre estados de caos que no sabíamos o asumíamos que existían, y pudimos encontrar el correcto argumentos y pruebas para sustentar su existencia”, dice Anna Carpio, una de las autoras del estudio, del Departamento de Análisis Matemático y Matemáticas Aplicadas de la UCLA, señalan que aún queda mucho por hacer en base a este trabajo. Y concluyó: “Desde la búsqueda experimental de la confirmación de nuestras predicciones y una mejor adaptación del modelo a las observaciones experimentales, hasta la realización de investigaciones teóricas y matemáticas que van más allá de las simulaciones numéricas”.