Naukowcy wykazali, że zasady rządzące ruchem cząstek mają zastosowanie również do obiektów biologicznych, takich jak ptaki i tłumy. Badanie sugeruje, że pomimo widocznych różnic przejście od zaburzeń do skoordynowanego ruchu, czy to na odległość fizyczną, czy topologiczną, przebiega według podobnych wzorców zarówno w systemach fizycznych, jak i biologicznych. Źródło: SciTechDaily.com
Systemy fizyczne i biologiczne są różne. Ale czy oni są? Nowe badanie JSTAT wskazuje, że podobieństwa mogą być większe, niż nam się wydaje.
Wspólne badanie ujawnia, że zbiorowe ruchy w biologii, takie jak stada ptaków, rządzą się zasadami podobnymi do tych obserwowanych w fizyce cząstek elementarnych. Odkrycia podkreślają podstawowe podobieństwa w dynamice przejść, niezależnie od odległości fizycznych lub topologicznych.
Tłum lub stado ptaków mają inne cechy niż atomy w materiale, ale jeśli chodzi o ruch zbiorowy, różnice mają mniejsze znaczenie, niż mogłoby się wydawać. Możemy próbować przewidzieć zachowanie ludzi, ptaków lub komórek w oparciu o te same zasady, których używamy w przypadku cząstek. Takie wnioski płyną z nowego badania opublikowanego w czasopiśmie „ Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, JSTATprowadzone przez międzynarodowy zespół, w którym uczestniczy m.in MIT w Bostonie i CNRS we Francji.
W badaniu, opartym na fizyce materiałów, symulowano warunki, które powodują nagłe przejście ze stanu nieuporządkowanego do skoordynowanego w „środkach samobieżnych” (takich jak biologiczne).
Odległość a relacje topologiczne. Źródło: Materiał udostępniony przez autora artykułu, Juliena Tailleura
Łączenie fizyki i biologii w ruchu
„W pewnym sensie ptaki to latające atomy” – wyjaśnia Julien Tailleur z MIT Biophysics, jeden z autorów badania. „Może to zabrzmieć dziwnie, ale w rzeczywistości jednym z naszych głównych odkryć było to, że sposób poruszania się chodzącego tłumu lub stada ptaków w locie ma wiele podobieństw z fizycznymi układami cząstek”.
Jak wyjaśnia Tailleur, w badaniach nad ruchem zbiorowym przyjęto, że istnieje jakościowa różnica pomiędzy cząstkami (atomami i cząsteczkami) a elementami biologicznymi (komórkami, ale także całymi organizmami w grupach). Szczególnie uważano, że przejście od jednego rodzaju ruchu do drugiego (na przykład od chaosu do uporządkowanego przepływu, zwanego przejściem fazowym) było zupełnie inne.
Różnice i podobieństwa w dynamice ruchu
Zasadnicza różnica dla fizyków w tym przypadku ma związek z pojęciem odległości. Cząstki poruszające się w przestrzeni z wieloma innymi cząsteczkami wpływają na siebie przede wszystkim w oparciu o ich wzajemną odległość. W przypadku elementów biologicznych odległość bezwzględna jest jednak mniej istotna.
„Weź gołębia lecącego w stadzie: liczą się dla niego nie tyle wszystkie najbliższe gołębie, ale te, które widzi”. W rzeczywistości, według literatury, spośród tych, które widzi, może śledzić jedynie skończoną liczbę ze względu na swoje ograniczenia poznawcze. Gołąb, w żargonie fizyków, znajduje się w „związku topologicznym” z innymi gołębiami: dwa ptaki mogą znajdować się w dość dużej odległości fizycznej, ale jeśli znajdują się w tej samej widocznej przestrzeni, pozostają w wzajemnym kontakcie i wpływają na siebie .
Odległość a relacje topologiczne + pasma podróżne. Źródło: Materiał udostępniony przez autora artykułu, Juliena Tailleura
Odsłonięcie uniwersalnej natury ruchu zbiorowego
Długo uważano, że tego typu różnica doprowadziła do zupełnie innego scenariusza pojawienia się ruchu zbiorowego. „Nasze badanie sugeruje jednak, że nie jest to różnica kluczowa” – kontynuuje Tailleur.
„Oczywiście, gdybyśmy chcieli przeanalizować zachowanie prawdziwego ptaka, istnieje mnóstwo innych złożoności, które nie zostały uwzględnione w naszym modelu. W naszej dziedzinie kierujemy się radą przypisaną Einsteinowi, a mianowicie, że jeśli chcesz zrozumieć zjawisko, musisz uczynić je „tak prostym, jak to możliwe, ale nie prostszym”. Nie najprostsze z możliwych, ale takie, które usuwa całą złożoność nieistotną dla problemu. W konkretnym przypadku naszego badania oznacza to, że rzeczywista i istniejąca różnica – między odległością fizyczną a zależnością topologiczną – nie zmienia charakteru przejścia do ruchu zbiorowego.
Modele magnetyczne i zachowania biologiczne
Model zastosowany przez Tailleura i współpracowników inspirowany jest zachowaniem materiałów ferromagnetycznych. Materiały te posiadają – jak sama nazwa wskazuje – właściwości magnetyczne. W wysokiej temperaturze lub małej gęstości spiny (w uproszczeniu: kierunek momentu magnetycznego związanego z elektronami) są zorientowane losowo ze względu na duże wahania termiczne i dlatego są nieuporządkowane. Jednakże w niskich temperaturach i dużej gęstości interakcje między spinami dominują w fluktuacjach i wyłania się globalna orientacja spinów (wyobrażając je jako wiele ustawionych w jednej linii małych igieł kompasu).
„Mój kolega Hugues Chaté dwadzieścia lat temu zdał sobie sprawę, że gdyby spiny miały poruszać się we wskazanym kierunku, przechodziłyby przez nieciągłe przejście fazowe, z nagłym pojawieniem się dużych grup spinów poruszających się razem, podobnie jak stada ptaki na niebie” – mówi Tailleur.
To bardzo różni się od tego, co dzieje się w pasywnym ferromagnesie, gdzie porządek pojawia się stopniowo. Do niedawna fizycy wierzyli, że modele inspirowane biologią, w których cząstki dopasowują się do swoich „topologicznych sąsiadów”, również będą podlegać ciągłym zmianom. W modelu zastosowanym w badaniu Tailleur i współpracownicy wykazali, że zamiast tego obserwuje się nieciągłe przejście, nawet jeśli zamiast odległości stosuje się relację topologiczną, i że ten scenariusz powinien mieć zastosowanie do wszystkich takich modeli.
„W pewnych granicach szczegóły dostosowania są nieistotne” – mówi Tailleur, „a nasza praca pokazuje, że tego typu przejście powinno mieć charakter ogólny”.
Praktyczne implikacje i perspektywy na przyszłość
Kolejnym wnioskiem jest to, że w zastosowanym modelu w ramach większej grupy tworzą się warstwowe przepływy, co jest podobne do tego, co również obserwujemy w rzeczywistości: rzadko zdarza się, aby masa ludzi poruszała się razem w jednym kierunku; raczej widzimy w nim ruch skończonych grup, rozróżnialne przepływy, które podążają nieco innymi trajektoriami.
Te modele statystyczne, oparte na fizyce cząstek, mogą zatem pomóc nam zrozumieć biologiczny ruch zbiorowy, podsumowuje Tailleur. „Droga do zrozumienia ruchu zbiorowego tak, jak go widzimy w biologii – i wykorzystania go do projektowania nowych materiałów – jest wciąż długa, ale czynimy postępy!”
Odniesienie: „Wywołane fluktuacją przejście pierwszego rzędu do ruchu zbiorowego” 8 sierpnia 2024 r., Journal of teorii i eksperymentu mechaniki statystycznej.
DOI: 10.1088/1742-5468/ad6428
