La teoria de la matèria activa explica el comportament grupal de la formiga de foc

Les formigues són insectes socials, i l’espècie Solenopsis invicta —coneguda com «formiga de foc», originària de l’Amèrica del Sud— no n’és una excepció. Les interaccions socials d’aquest insecte invasor es poden emmarcar en el context de la teoria de la matèria activa i explicarien el comportament grupal de les formigues com a reacció a mecanismes intrínsecs a aquests sistemes d’estudi. Aquesta és una de les conclusions de l’article publicat a la revista Science Advances pels investigadors Alberto Fernández-Nieves i Caleb Anderson, de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i de l'Institut l'UBICS, i Guillermo Goldsztein, de l’Institut de Tecnologia de Geòrgia (Estats Units).

L’estudi revela que la densitat és fonamental perquè les formigues experimentin cicles d’activitat i passin per períodes en què es desplacin de manera col·lectiva. En condicions de densitat elevada, aquests cicles d’activitat es manifesten de manera sorprenent quan la col·lectivitat de formigues s’organitza formant una columna vertical; en aquest cas, es generen unes ones d’activitat que es propaguen en sentit ascendent.

La formiga de foc, model d’estudi en física

La formiga de foc, un himenòpter amb una alta capacitat de reproducció i dispersió, s’utilitza des de fa temps com a model de referència per estudiar sistemes actius a alta densitat. Sota diferents condicions, la col·lectivitat de formigues experimenta el que es coneix com cicles d’activitat: el conjunt de formigues passa per estats en què bona part estan immòbils i per altres estats en què pràcticament totes es mouen.

«Estudiar els sistemes actius densos en un laboratori no és trivial. Les formigues són considerades, des d’un punt de vista físic, com partícules actives que consumeixen energia química per moure’s. Es poden concentrar fàcilment per crear un sistema dens que podem utilitzar per abordar qüestions en el món de la matèria activa», detalla Alberto Fernández-Nieves, professor ICREA al Departament de Física de la Matèria Condensada i l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS).

La matèria activa, en concret, es basa en partícules que es poden autopropulsar i que, a conseqüència d’això, es desplacen amb el consum local d’energia. En canvi, els constituents dels sistemes atòmics o col·loidals es mouen com a resultat de la temperatura.

De l’atracció social al comportament col·lectiu

En la matèria activa emergeixen dos grans comportaments: un és la transició a un estat en què el conjunt de partícules es mou en la mateixa direcció (mode col·lectiu), comportament que se sol relacionar amb els estols d’aus i els bancs de peixos; l’altre es manifesta quan la motilitat de les partícules disminueix amb la distància. En aquest cas, les partícules s’apropen i s’aturen, resultat que es pot interpretar com una atracció entre elles. En determinades condicions, aquesta atracció pot donar lloc a la formació d’agregats i, en alguns casos, a la separació entre una fase formada per formigues immòbils i una altra de formada per exemplars mòbils.

Segons l’estudi, la densitat és decisiva en el canvi perquè el col·lectiu de formigues canviï entre aquests comportaments. «Si la densitat és baixa, la fase que observem està relacionada amb les atraccions socials», apunten els autors de l’estudi. «Els canvis en la fase de moviment només s’observen quan la densitat és prou elevada. Això explica per què les ones es generen sempre a prop de la base de les columnes de formigues, en què la densitat és més gran».

L’estudi constata que l’atracció social de les formigues —és a dir, que interaccionin— es pot explicar com un fenomen induït a causa d’una motilitat decreixent amb la separació formiga-formiga. En canvi, quan les densitats són altes, aquesta atracció desapareix i la col·lectivitat de formigues adopta un mode col·lectiu que genera unes ones d’activitat que es propaguen cap dalt.

«Aquestes ones de densitat i activitat reflecteixen que els estats dels cicles d’activitat en què totes les formigues es mouen corresponen a una fase col·lectiva, que és similar a la fase organitzada descrita, per exemple, en estols d’ocells, bancs de peixos o bandades d’animals», detallen els experts.

Formigues en mode col·lectiu al medi ambient

A la natura, el mode col·lectiu de les formigues de foc es pot presentar en condicions diverses. Aquests insectes, originaris d’una regió en què abunden les pluges i les inundacions, han pogut evolucionar per superar aquests episodis extrems mitjançant aquests cicles d’activitat.

«Per sobreviure a aquests fenòmens, les formigues de foc construeixen balses en què tots els individus estan junts i, per tant, la seva densitat és elevada», apunta l’equip. Segons estudis previs, les formigues, quan són a les balses, viuen períodes essencialment inactius en què la forma de la balsa és circulars, i d’altres en què s’observa molt més moviment. En aquest darrer cas, la forma de la balsa es caracteritza per la formació d’extensions col·lectives amb forma de dits».

En els períodes inactius, la balsa es comportaria com un sòlid elàstic, de manera que ajudaria a resistir els cops d’objectes arrossegats per la pluja. Alhora, la formació de les formes de dit permet a les formigues buscar terra ferma. Si la troben, migren a la terra; si no, tornen a agrupar-se i continuen amb aquests cicles cada cert temps fins que ho aconsegueixen.

«Per això, considerem que els períodes amb moviment que comporten la formació de dits són similars al mode col·lectiu que observem en els nostres experiments i que origina, alhora, les ones de formigues en les columnes verticals».

Matèria activa i sistemes fora de l’equilibri

Les variacions en els estats d’agregació de les formigues també té implicacions en les propietats dels materials. «En estudis previs, vam poder comprovar que les propietats mecàniques canviaven dràsticament depenent de l’estat de la col·lectivitat de formigues. En les fases dominades per l’atracció, el comportament era semblant al d’un sòlid elàstic. Per contra, en les fases actives, la col·lectivitat es reorganitza a nivell de partícula per fluir, en certa manera, com un líquid».

«Si s’analitza com un material actiu, la col·lectivitat de formigues pot canviar de comportament mecànic si modifica la seva activitat. En ciència de materials, això típicament s’aconsegueix canviant l’estructura del material. En el cas de les formigues, això és possible per estar fora de l’equilibri. La transició de sòlid a líquid és la conseqüència de mecanismes que treuen el sistema de l’equilibri i que recorden l’activitat de les partícules de la matèria activa. No hi ha canvis estructurals rellevants; les col·lectivitats de formigues són sempre desordenades. Aquest comportament ens recorda el personatge de la pel·lícula Terminator, que passa de líquid a sòlid de manera espontània. En aquest sentit, i malgrat la seva complexitat, el terminator de la pel·lícula és també matèria activa», conclou l’investigador.

 

Articles de referència:

Anderson, C.; Goldsztein, G.; Fernández-Nieves, A. «Ant Waves – Spontaneous activity waves in fire-ant columns». Science Advances, gener de 2023. Doi: 10.1126/sciadv.add0635

Anderson, C.; Fernández-Nieves, A. «Social interactions lead to motility-induced phase separation in fire ants». Nature Communications, novembre de 2022. Doi: 10.1038/s41467-022-34181-0