Los sistemas físicos y biológicos son diferentes. ¿Pero tan diferentes? Un nuevo estudio observa similitudes entre el movimiento de los átomos y el vuelo de los pájaros
Una multitud o una bandada de pájaros tienen características distintas de las de los átomos de un material, pero cuando se trata de movimiento colectivo, las diferencias importan menos de lo que podríamos pensar. Podemos intentar predecir el comportamiento de los seres humanos, los pájaros o las células basándonos en los mismos principios que utilizamos para las partículas. Esta es la conclusión de un nuevo estudio publicado en la revista Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, JSTAT, realizado por un equipo internacional en el que colaboran el MIT de Boston y el CNRS de Francia. El estudio, basado en la física de materiales, simuló las condiciones que provocan un cambio repentino de un estado desordenado a otro coordinado en «agentes autopropulsados» (como los biológicos).
«En cierto modo, los pájaros son átomos voladores», explica Julien Tailleur, de Biofísica del MIT, uno de los autores de la investigación. «Puede sonar extraño, pero de hecho, uno de nuestros principales hallazgos fue que la forma en que se mueve una multitud caminando, o una bandada de pájaros en vuelo, comparte muchas similitudes con los sistemas físicos de partículas».
Como explica Tailleur, en el campo de los estudios sobre el movimiento colectivo se ha supuesto que existe una diferencia cualitativa entre las partículas (átomos y moléculas) y los elementos biológicos (células, pero también organismos enteros en grupo). Se creía sobre todo que la transición de un tipo de movimiento a otro (por ejemplo, del caos a un flujo ordenado, lo que se conoce como transición de fase) era completamente diferente.
Imagen: La distancia frente a las relaciones topológicas. Crédito: Material proporcionado por el autor del artículo, Julien Tailleur
La diferencia crucial para los físicos en este caso tiene que ver con el concepto de distancia. Las partículas que se mueven en un espacio con muchas otras partículas se influyen mutuamente sobre todo en función de su distancia mutua. Para los elementos biológicos, sin embargo, la distancia absoluta es menos importante. «Tomemos una paloma volando en bandada: lo que le importa no son tanto todas las palomas más cercanas, sino las que puede ver». De hecho, según la bibliografía, entre las que puede ver, sólo puede seguir la pista de un número finito, debido a sus límites cognitivos. La paloma, en la jerga de los físicos, está en «relación topológica» con otras palomas: dos pájaros pueden estar a una distancia física bastante grande, pero si están en el mismo espacio visible, están en contacto mutuo y se influyen mutuamente.
Durante mucho tiempo se creyó que este tipo de diferencia daba lugar a un escenario completamente distinto para la aparición del movimiento colectivo. «Nuestro estudio, sin embargo, sugiere que no se trata de una diferencia crucial», prosigue Tailleur.
«Obviamente, si quisiéramos analizar el comportamiento de un pájaro real, hay toneladas de otras complejidades que no están incluidas en nuestro modelo. Nuestro campo sigue un consejo atribuido a Einstein, a saber, que si quieres entender un fenómeno, tienes que hacerlo ‘lo más simple posible, pero no más simple’. No lo más simple posible, sino aquel que elimine toda complejidad que no sea relevante para el problema. En el caso concreto de nuestro estudio, esto significa que la diferencia que es real y existe -entre distancia física y relación topológica- no altera la naturaleza de la transición al movimiento colectivo».
El modelo utilizado por Tailleur y sus colegas se inspira en el comportamiento de los materiales ferromagnéticos. Estos materiales tienen -como su nombre indica- propiedades magnéticas. A alta temperatura o baja densidad, los espines (simplificando: la dirección del momento magnético asociado a los electrones) se orientan aleatoriamente debido a las grandes fluctuaciones térmicas y son, por tanto, desordenados. Sin embargo, a baja temperatura y alta densidad, las interacciones entre los espines dominan las fluctuaciones y surge una orientación global de los espines (imaginándolos como muchas pequeñas agujas de brújula alineadas).
«Mi colega Hugues Chaté se dio cuenta hace veinte años de que, si los espines se movieran en la dirección en la que apuntan, se ordenarían a través de una transición de fase discontinua, con la aparición repentina de grandes grupos de espines moviéndose juntos, muy parecidos a bandadas de pájaros en el cielo», dice Tailleur. Esto es muy distinto de lo que ocurre en un ferromagneto pasivo, donde la aparición del orden se produce gradualmente. Hasta hace poco, los físicos creían que los modelos inspirados en la biología en los que las partículas se alinean con sus «vecinas topológicas» también experimentarían una transición continua. En el modelo utilizado en el estudio, Tailleur y sus colegas demostraron que, en cambio, se observa una transición discontinua, incluso si se utiliza la relación topológica en lugar de la distancia, y que este escenario debería aplicarse a todos los modelos de este tipo. «Dentro de ciertos límites, los detalles de cómo se alinea son irrelevantes», dice Tailleur, «y nuestro trabajo demuestra que este tipo de transición debería ser genérico».
Otro hallazgo es que, en el modelo utilizado, se forman flujos estratificados dentro del grupo mayor, lo que se asemeja a lo que también observamos en la realidad: es raro que una masa de gente se mueva toda junta en una dirección; más bien, vemos en ella el movimiento de grupos finitos, flujos distinguibles que siguen trayectorias ligeramente distintas.
Estos modelos estadísticos, basados en la física de partículas, pueden por tanto ayudarnos también a comprender el movimiento colectivo biológico, concluye Tailleur. «El camino hacia la comprensión del movimiento colectivo tal y como lo vemos en biología -y su uso para diseñar nuevos materiales- aún es largo, ¡pero estamos avanzando!».
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