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    Le principe de physique explique l'ordre et le désordre des essaims

    Pour former un tourbillon, une particule active (en rouge) doit détecter les positions et orientations des voisins dans son champ de vision et se déplacer en conséquence. Crédit :Tobias Bäuerle

    Les expériences actuelles soutiennent l'hypothèse controversée qu'un concept bien connu en physique - un point critique - est à l'origine du comportement frappant des systèmes animaux collectifs. Des physiciens du Cluster of Excellence Center for the Advanced Study of Collective Behavior de l'Université de Constance ont montré que les particules de micronage contrôlées par la lumière peuvent être organisées pour former des états collectifs tels que des essaims et des tourbillons. En étudiant les particules fluctuant entre ces états, ils fournissent des preuves d'un comportement critique et soutiennent un principe physique qui sous-tend le comportement complexe des collectifs. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature .

    Les groupes d'animaux présentent les caractéristiques apparemment contradictoires d'être à la fois robustes et flexibles. Imaginez un banc de poissons :des centaines d'individus en parfait ordre et alignement peuvent soudainement passer à une tornade convulsive esquivant une attaque. Les groupes d'animaux en profitent s'ils parviennent à trouver cet équilibre délicat entre la stabilité face au "bruit" comme les remous ou les rafales de vent, mais la réactivité à des changements importants comme l'approche d'un prédateur.

    Transition critique

    Comment ils y parviennent n'est pas encore compris. Mais ces dernières années, une explication possible a émergé :la criticité. En physique, la criticité décrit des systèmes dans lesquels une transition entre des états tels que gaz à liquide se produit à un point critique. Il a été avancé que la criticité fournit aux systèmes biologiques l'équilibre nécessaire entre robustesse et flexibilité. "La combinaison de stabilité et de réactivité élevée est exactement ce qui caractérise un point critique, " déclare l'auteur principal de l'étude, Clemens Bechinger, chercheur principal au Centre d'études avancées du comportement collectif et professeur au Département de physique de l'Université de Constance. "Et il était donc logique de tester si cela pouvait expliquer certains des modèles que nous voyons dans le comportement collectif."

    L'hypothèse selon laquelle des états collectifs planent à proximité de points critiques a été étudiée dans le passé en grande partie par le biais de simulations numériques. Dans la nouvelle étude publiée dans Communication Nature , Bechinger et ses collègues ont apporté un soutien expérimental rare à la prédiction mathématique. « En démontrant un lien étroit entre collectivité et comportement critique, nos découvertes ajoutent non seulement à notre compréhension générale des états collectifs, mais suggèrent également que les concepts physiques généraux peuvent s'appliquer aux systèmes vivants, " dit Bechinger.

    Preuve expérimentale

    Dans les expériences, les chercheurs ont utilisé des billes de verre recouvertes d'un côté d'un capuchon en carbone et placées dans un liquide visqueux. Lorsqu'il est éclairé par la lumière, ils nagent un peu comme des bactéries, mais avec une différence importante :chaque aspect de la façon dont les particules interagissent avec les autres, de la façon dont les individus se déplacent au nombre de voisins visibles, peut être contrôlé. Ces particules de micronage permettent aux chercheurs d'éviter les défis de travailler avec des systèmes vivants dans lesquels les règles d'interaction ne peuvent pas être facilement contrôlées. "Nous concevons les règles dans l'ordinateur, les mettre dans une expérience, et regardez le résultat du jeu d'interaction, " dit Bechinger.

    Mais pour s'assurer que le système physique ressemble à des systèmes vivants, les chercheurs ont conçu des interactions qui reflétaient le comportement des animaux. Par exemple, ils contrôlaient la direction dans laquelle les individus se déplaçaient par rapport à leurs voisins. Les particules étaient programmées soit pour nager directement vers les autres dans le groupe principal, soit pour s'en éloigner. En fonction de cet angle de mouvement, les particules s'organisent en tourbillons ou en essaims désordonnés. Et l'ajustement progressif de cette valeur a provoqué des transitions rapides entre un tourbillon et un essaim désordonné mais toujours cohérent. "Ce que nous avons observé, c'est que le système peut faire des transitions soudaines d'un état à l'autre, ce qui démontre la souplesse nécessaire pour réagir à une perturbation extérieure comme un prédateur, " dit Bechinger, "et fournit des preuves claires d'un comportement critique."

    "Comportement similaire aux groupes d'animaux et aux systèmes neuronaux"

    Ce résultat est « clé pour comprendre comment les collectifs animaux ont évolué, " dit le professeur Iain Couzin, co-conférencier du Center for the Advanced Study of Collective Behavior et directeur du Département du comportement collectif à l'Institut Konstanz Max Planck du comportement animal. Bien que n'ayant pas participé à l'étude, Couzin a travaillé pendant des décennies pour déchiffrer comment le regroupement peut améliorer les capacités de détection dans les collectifs d'animaux.

    Couzin déclare :« Les particules de cette étude se comportent de manière très similaire à ce que nous voyons dans les groupes d'animaux, et même des systèmes neuronaux. Nous savons que les individus dans les collectifs gagnent à être plus réactifs, mais le grand défi en biologie a été de tester si la criticité est ce qui permet à l'individu de devenir spontanément beaucoup plus sensible à son environnement. Cette étude a confirmé que cela peut se produire uniquement via des propriétés physiques émergentes spontanées. Grâce à des interactions très simples, ils ont montré que vous pouvez accorder un système physique à un état collectif - la criticité - d'équilibre entre l'ordre et le désordre."

    En démontrant l'existence d'un lien entre collectivité et comportement critique dans les systèmes vivants, cette étude fait également allusion à la manière dont l'intelligence des collectifs peut être intégrée dans des systèmes physiques. Au-delà des simples particules, la découverte pourrait aider à concevoir des stratégies efficaces de dispositifs microrobotiques autonomes avec des unités de contrôle embarquées. "Comme leurs homologues vivants, ces agents miniatures devraient être capables de s'adapter spontanément à des conditions changeantes et même de faire face à des situations imprévues qui pourraient être accomplies par leur opération à proximité d'un point critique, " dit Bechinger.


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