Ao estudar um enxame de mosquitos voadores como se fosse um fluido, os físicos aprenderam como comportamentos coletivos podem estabilizar um grupo contra perturbações ambientais.
Os estorninhos voam para o céu em vórtices rodopiantes; as formigas fervilham como rios. “Eles se alongam, se movem, mas mantêm a coesão de uma maneira que você esperaria de um movimento fluido”, disse Nicholas Ouellette, físico da Universidade de Stanford. É por isso que, para ele, não é rebuscado pensar sobre o comportamento animal coletivo na linguagem da mecânica dos fluidos, ou analisar grupos de organismos da mesma forma que um engenheiro analisaria um material.
Essa abordagem valeu a pena em um artigo publicado na Science Advances, no qual Ouellette e seus colegas usaram uma estratégia inspirada na ciência dos materiais para analisar a dinâmica de um enxame voador. Eles identificaram propriedades no comportamento coletivo dos insetos que podem ajudar um grupo a evitar o desmoronamento diante de um ambiente natural mutável e perturbador.
Esse comportamento coletivo – no qual centenas de peixes, digamos, mudam repentinamente de curso ao mesmo tempo, aparentemente como uma única entidade – é um mistério que os pesquisadores ainda estão tentando desvendar ansiosamente. Para entendê-lo mais completamente, os especialistas geralmente estudam as interações dos indivíduos, na esperança de determinar como certas regras simples podem levar aos efeitos emergentes macroscópicos que observaram. Mas isso tem sido difícil.
Ouellette e um punhado de outros cientistas, portanto, abordaram o problema de um ângulo diferente: ignorando os indivíduos e voltando sua atenção para o que as propriedades de todo o sistema podem revelar sobre seu comportamento – assim como “você pode descrever como é um material , sem precisar saber o que seus átomos estão fazendo”, disse Ouellette.
Quando os engenheiros testam um material, eles o cutucam e estimulam para ver como ele reage. David Hu, um físico do Instituto de Tecnologia da Geórgia, fez algo semelhante em seus estudos de formigas de fogo: ao medir como os enxames reagiram quando foram comprimidos entre duas superfícies e submetidos a outros tipos de forças, ele e seus colegas descobriram que a formiga o comportamento tem propriedades semelhantes às de sólidos e fluidos. Outros pesquisadores estudaram propriedades físicas semelhantes em bactérias.
Mas fazer isso com animais voadores, que não se tocam enquanto enxameiam, e que muitas vezes são mais difíceis de controlar em um experimento, parecia fora de alcance. “Você não vai colocar um bando de pássaros no laboratório”, disse Ouellette.
Ele, portanto, decidiu trabalhar com mosquitos machos, pequenos insetos que se unem em nuvens durante a época de acasalamento para se tornarem visíveis às fêmeas de longe. Costumam fazer isso acima de algum objeto visível no solo, seja uma raiz de árvore ou uma pequena poça de água da chuva – que a equipe reproduziu colocando um pedacinho de feltro preto no fundo do tanque onde os mosquitos foram levantados.
Quando os pesquisadores moveram o pedaço de feltro em um padrão de onda oscilante, o enxame se moveu com ele, permitindo que estudassem os mosquitos da mesma forma que Hu fizera com suas formigas. Em particular, eles observaram como as camadas do enxame se comportaram em resposta à mudança de posição do feltro. Os mosquitos próximos ao fundo moviam-se em sintonia com o feltro, oscilando tanto quanto ele; aqueles mosquitos podiam ver o feltro abaixo deles. Mas os mosquitos nas camadas mais altas, que só podiam ver outros insetos abaixo deles, ficaram para trás, oscilando menos com o feltro. O atraso mostrou que a onda de informações sobre a posição do feltro estava gradualmente sendo suprimida à medida que se movia para cima através do enxame.
Kasper van der Vaart
Medir as propriedades dessa onda de informação permitiu aos cientistas sondar as propriedades mecânicas do enxame com mais precisão, “no mesmo tipo de linguagem que usariam para testar a manteiga de amendoim”, disse Hu, que não estava envolvido no estudo. Eles descobriram que, em alguns aspectos, o sistema se comportava elasticamente, como uma mola, enquanto em outros aspectos, ele se comportava como um líquido viscoso, colocando-o diretamente na categoria de materiais “viscoelásticos”.
O mais interessante foi que a viscosidade do enxame superou sua elasticidade, levando ao forte efeito de amortecimento observado nos movimentos dos mosquitos. “A forma como os insetos estão interagindo não apenas permite que todos fiquem juntos, mas os torna resistentes às perturbações externas que poderiam destruir o enxame”, disse Ouellette. O efeito de amortecimento torna o grupo mais estável – o que, ele postula, pode ajudar o enxame a ficar no lugar para que as fêmeas possam encontrá-lo.
Se for esse o caso, disse Hu, “significa que o amortecimento tem alguma relevância biológica real.”
Não é assim que os especialistas geralmente pensam sobre amortecimento e comportamento coletivo. Os cientistas que estudam esses sistemas normalmente se concentram na amplificação do sinal, o que acelera o fluxo de informações através de um bando de pássaros ou cardumes de peixes “como um boato”, disse Simon Garnier, biólogo do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey que não participou do estude. Como os pássaros e peixes precisam evitar predadores, por exemplo, é vantajoso para todos os membros de um bando ou escola aprender sobre um sinal de alerta, mesmo que isso também signifique lidar com alguns alarmes falsos.
Na verdade, os pesquisadores da complexidade muitas vezes mostraram como o comportamento coletivo pode transmitir informações rapidamente por todo o grupo. O amortecimento geralmente era visto simplesmente como uma forma de contrabalançar esse efeito de amplificação. “Foi algo necessário para garantir que o sistema não explodisse, mas não foi algo que foi estudado por conta própria”, disse Garnier.
Claro, os sistemas coletivos precisam encontrar um equilíbrio entre os sinais de amplificação e o ruído de amortecimento: os indivíduos são propensos a erros, então o grupo não quer propagar cada pequeno erro, mas também não quer impedir que as informações fluam de todo . “Os sistemas coletivos precisam encontrar a localização correta nesse espectro, dependendo dos desafios que enfrentam na natureza”, disse Albert Kao, pesquisador do Instituto Santa Fé que modela o comportamento coletivo.
“Portanto, é bom, dado como o campo foca nos sinais sendo amplificados, que eles apresentem um caso aqui em que há um benefício em atenuar o ruído”, acrescentou.
Mas Garnier adverte que a inferência de Ouellette – que o amortecimento de informações no enxame de mosquitos evoluiu para servir a um propósito – está longe de ser provada. “Para dizer se essa propriedade emergente tem valor para a aptidão dos mosquitos, você será forçado a voltar a estudar os indivíduos em algum momento”, disse ele.
Ainda assim, Ouellette tem esperança de que “este paradigma geral de comportamento coletivo é capaz de gerar todos os tipos de efeitos diferentes que podem ser ajustados para qualquer que seja a interação ambiental otimizada adequada”. Na verdade, ele acrescentou, “podemos nem saber tudo o que é bom ainda.”
Um dia, os pesquisadores esperam usar esses insights para ajustar o comportamento de enxames de drones ou robôs, ou mesmo para controlar a disseminação de informações por meio de redes sociais. Para chegar lá, eles primeiro terão que combinar esta visão macroscópica com as microscópicas tradicionais.
Dito isso, “há muito a ganhar com a compreensão de como é realmente o estado de grupo desses sistemas animais”, disse Ouellette, “e preenchendo o equivalente a termodinâmica e ciência dos materiais para esses grupos”
Quando se trata disso, Hu disse: “isso é apenas o começo”.
Publicado em 16/03/2021 11h58
Artigo original:
Estudo original: