מכאוס לכוריאוגרפיה: חשיפת החוקים הנסתרים של תנועה קולקטיבית

מערכות פיזיות וביולוגיות שונות. אבל האם הם? מחקר חדש על JSTAT מבחין כי קווי הדמיון עשויים להיות גדולים ממה שאנו חושבים.

מחקר שיתופי מגלה כי תנועות קולקטיביות בביולוגיה, כמו להקות ציפורים, נשלטות על ידי עקרונות דומים לאלה שנצפו בפיזיקה של חלקיקים. הממצאים מדגישים את קווי הדמיון הבסיסיים בדינמיקת מעבר, ללא קשר למרחקים פיזיים או טופולוגיים.

להמון או להקת ציפורים יש מאפיינים שונים מאלו של אטומים בחומר, אבל כשזה מגיע לתנועה קולקטיבית, ההבדלים חשובים פחות ממה שנדמה לנו. אנו יכולים לנסות לחזות את התנהגותם של בני אדם, ציפורים או תאים על סמך אותם עקרונות שאנו משתמשים בהם עבור חלקיקים. כך עולה ממחקר חדש שפורסם ב- כתב עת למכניקה סטטיסטית: תיאוריה וניסוי, JSTATבניצוחו של צוות בינלאומי הכולל שיתוף פעולה של MIT בבוסטון וב-CNRS בצרפת.

המחקר, המבוסס על פיזיקה של חומרים, דימה את התנאים הגורמים למעבר פתאומי ממצב לא מסודר למצב מתואם ב"סוכנים מונעים" (כמו ביולוגיים).

גישור בין פיזיקה וביולוגיה בתנועה

"במובן מסוים, ציפורים הן אטומים מעופפים", מסביר ג'וליאן טיילור, מ-MIT Biophysics, אחד ממחברי המחקר. "זה אולי נשמע מוזר, אבל אכן, אחד הממצאים העיקריים שלנו היה שהאופן שבו קהל מהלך נע, או להקת ציפורים במעופה, חולק קווי דמיון רבים עם המערכות הפיזיות של חלקיקים."

כפי שמסביר Tailleur, בתחום חקר התנועה הקולקטיבית, ההנחה היא שיש הבדל איכותי בין חלקיקים (אטומים ומולקולות) לבין יסודות ביולוגיים (תאים, אך גם אורגניזמים שלמים בקבוצות). במיוחד האמינו שהמעבר מסוג אחד של תנועה לאחר (למשל, מכאוס לזרימה מסודרת, המכונה מעבר פאזה) שונה לחלוטין.

הבדלים ודמיון בדינמיקה של תנועה

ההבדל המכריע עבור פיזיקאים במקרה זה קשור למושג המרחק. חלקיקים הנעים בחלל עם חלקיקים רבים אחרים משפיעים זה על זה בעיקר על סמך המרחק ההדדי שלהם. עם זאת, עבור יסודות ביולוגיים, המרחק המוחלט פחות חשוב.

"קח יונה שעפה בלהקה: מה שחשוב לה הן לא כל היונים הקרובות ביותר, אלא אלו שהיא יכולה לראות." למעשה, על פי הספרות, בין אלה שהוא יכול לראות, הוא יכול לעקוב רק אחר מספר סופי, בשל הגבולות הקוגניטיביים שלו. היונה, בז'רגון הפיזיקאים, נמצאת ב"יחסים טופולוגיים" עם יונים אחרות: שתי ציפורים יכולות להיות במרחק פיזי גדול למדי, אבל אם הן נמצאות באותו מרחב גלוי, הן נמצאות במגע הדדי ומשפיעות זו על זו. .

חשיפת הטבע האוניברסלי של התנועה הקולקטיבית

זמן רב האמינו שסוג זה של הבדל הוביל לתרחיש שונה לחלוטין להופעתה של תנועה קולקטיבית "עם זאת, המחקר שלנו מצביע על כך שזה לא הבדל מכריע", ממשיך טיילור.

"ברור שאם רצינו לנתח התנהגות של ציפור אמיתית, יש עוד המון מורכבויות שאינן נכללות במודל שלנו. התחום שלנו עוקב אחר עצה המיוחסת לאיינשטיין, כלומר שאם אתה רוצה להבין תופעה, אתה צריך לעשות אותה 'פשוטה ככל האפשר, אבל לא פשוטה יותר'. לא הכי פשוט שאפשר, אבל זה שמסיר כל מורכבות שאינה רלוונטית לבעיה. במקרה הספציפי של המחקר שלנו, זה אומר שההבדל שהוא אמיתי וקיים – בין מרחק פיזי ליחסים טופולוגיים – אינו משנה את אופי המעבר לתנועה קולקטיבית".

מודלים מגנטיים והתנהגויות ביולוגיות

המודל שבו השתמש Tailleur ועמיתיו שואב השראה מהתנהגותם של חומרים פרומגנטיים. לחומרים אלה – כפי שהשם מרמז – תכונות מגנטיות. בטמפרטורה גבוהה או בצפיפות נמוכה, הספינים (בפשטות: כיוון המומנט המגנטי הקשור לאלקטרונים) מכוונים באופן אקראי עקב התנודות התרמיות הגדולות ולכן הם לא מסודרים. עם זאת, בטמפרטורות נמוכות ובצפיפות גבוהה, האינטראקציות בין הספינים שולטות בתנודות ומופיעה אוריינטציה גלובלית של הספינים (מדמיינת אותם כמספר מחטי מצפן קטנות מיושרות).

"עמיתי הוגס שאטה הבין לפני עשרים שנה שאם הספינים ינועו בכיוון שאליו הם מצביעים, הם יעברו מעבר פאזה לא רציף, עם הופעה פתאומית של קבוצות גדולות של ספינים שנעות יחד, בדומה להקות של ציפורים בשמיים", אומר טיילור.

זה שונה מאוד ממה שקורה בפרומגנט פסיבי, שבו הופעת הסדר מתרחשת בהדרגה. עד לאחרונה, האמינו פיזיקאים שמודלים בהשראת הביולוגיה שבהם חלקיקים מתיישרים עם 'שכניהם הטופולוגיים' יחוו גם הם מעבר מתמשך. במודל ששימש במחקר, Tailleur ועמיתיו הראו שבמקום זאת, נצפה מעבר בלתי רציף, גם אם נעשה שימוש בקשר הטופולוגי במקום מרחק, ושתרחיש זה צריך לחול על כל המודלים הללו.

"בתוך גבולות מסוימים, הפרטים של אופן ההתיישרות אינם רלוונטיים", אומר Tailleur, "והעבודה שלנו מראה שסוג המעבר הזה צריך להיות גנרי."

השלכות מעשיות וצפי עתידי

ממצא נוסף הוא שבמודל שבו נעשה שימוש נוצרות זרימות מרובדות בתוך הקבוצה הגדולה יותר, הדומה למה שאנו רואים גם במציאות: נדיר שמסה של אנשים נעה כולם יחד בכיוון אחד; אלא, אנו רואים בתוכו תנועה של קבוצות סופיות, זרימות ניתנות להבחנה העוקבות אחר מסלולים מעט שונים.

מודלים סטטיסטיים אלה, המבוססים על הפיזיקה של חלקיקים, יכולים אפוא גם לעזור לנו להבין תנועה קולקטיבית ביולוגית, מסכם טיילור. "הדרך להבנת התנועה הקולקטיבית כפי שאנו רואים אותה בביולוגיה – ושימוש בה לעיצוב חומרים חדשים – היא עדיין ארוכה, אבל אנחנו מתקדמים!"