A teoria da matéria ativa explica o comportamento do grupo de formigas de fogo

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As formigas são insetos sociais e a espécie Solenopsis invicta – conhecida como formiga de fogo – não é exceção. As interações sociais desse inseto invasor, que vem da América do Sul, estão enquadradas no contexto da teoria da Matéria Ativa, que explicaria o comportamento grupal das formigas como reação aos mecanismos intrínsecos do sistema. Essa é uma das conclusões do artigo publicado na revista Science Advances pelos pesquisadores Alberto Fernández-Nieves e Caleb Anderson, da Faculdade de Física da Universidade de Barcelona, ​​e Guillermo Goldsztein, do Georgia Institute of Technology (Estados Unidos) .

O estudo revela que a densidade é fundamental para que as formigas vivam ciclos de atividade e passem por períodos em que o grupo de insetos se movimenta coletivamente. Em condições de alta densidade, esses ciclos de atividade se apresentam de forma surpreendente quando a comunidade de formigas se organiza em uma coluna vertical, criando ondas de atividade que se propagam para cima.

A formiga de fogo como modelo na física

A formiga lava-pés, um himenóptero com alta capacidade reprodutiva e de dispersão, tem sido utilizada como modelo de referência para o estudo de sistemas ativos em alta densidade. Sob diferentes condições, o coletivo de formigas experimenta o que é conhecido como ciclos de atividade: o grupo de formigas muda de uma situação em que muitas formigas estão paradas, para uma situação em que praticamente todas as formigas estão se movendo.

“Estudar sistemas ativos densos em um laboratório não é trivial. Do ponto de vista físico, as formigas são consideradas partículas ativas que usam energia química para se mover. Elas podem ser facilmente concentradas para criar um coletivo denso que podemos usar para abordar questões de matéria ativa”, disse. observa Alberto Fernández-Nieves, professor do ICREA no Departamento de Física da Matéria Condensada e no Instituto de Sistemas Complexos da UB (UBICS).

A matéria ativa, especificamente, é baseada em partículas que podem se autopropelir e que, por isso, se movem devido ao consumo local de energia, ao contrário dos sistemas atômicos ou coloidais, cujos constituintes se movem em função da temperatura.

Da atração social ao comportamento coletivo

Existem dois grandes comportamentos que emergem na matéria ativa: o primeiro é a transição para um estado em que o conjunto de partículas se move na mesma direção (modo coletivo), comportamento geralmente relacionado a bandos de pássaros e cardumes de peixes. O outro se manifesta quando a motilidade das partículas diminui com sua distância de separação de pares. Nesse caso, à medida que as partículas se aproximam, elas param de se mover, resultado que pode ser entendido como uma atração entre elas. Sob certas condições, essa atração pode levar à formação de agregados e, em alguns casos, à separação de uma fase formada por formigas estacionárias e uma fase formada por formigas em movimento.

De acordo com o estudo, a densidade é crucial para que o coletivo de formigas alterne entre esses comportamentos. “Com uma densidade menor, a fase que observamos é aquela relacionada aos atrativos sociais”, dizem os autores. “Mudanças na fase do movimento coletivo são vistas apenas quando a densidade é alta o suficiente. Isso explica porque as ondas são sempre geradas perto da base das colunas de formigas, onde a densidade é maior.”

O estudo afirma que a atração social das formigas – ou seja, sua interação – pode ser explicada como um fenômeno induzido devido a um declínio da motilidade com a separação formiga-formiga. Porém, em altas densidades, essa atração desaparece e a comunidade de formigas adota um modo de grupo coletivo que resulta em ondas de atividade que se propagam para cima.

“Essas ondas de densidade e atividade refletem que os estados dos ciclos de atividade em que todas as formigas estão se movendo correspondem a uma fase coletiva, que é semelhante à fase organizada descrita, por exemplo, em bandos de pássaros, cardumes de peixes ou grupos ( matilhas ou manadas) de animais”, observam os especialistas.

Modo coletivo das formigas no ambiente

Na natureza, o modo coletivo de formigas lava-pés pode ser visto em diferentes condições. Esses insetos, que vêm de uma área com chuvas e inundações abundantes, evoluíram para superar esses episódios extremos por meio desses ciclos de atividade.

“Para sobreviver a esses fenômenos, as formigas lava-pés constroem jangadas nas quais todos os indivíduos se agrupam; portanto, a densidade da jangada é alta. Segundo estudos anteriores, quando estão nas jangadas, as formigas passam por períodos inativos onde a forma de a jangada é circular, e outras em que há mais movimento. Neste último caso, a forma da jangada passa a ser caracterizada pela formação de saliências coletivas com forma de dedos”, observam os autores.

Nos períodos de inatividade, a jangada se comportaria como um sólido elástico, o que ajuda a resistir ao impacto dos objetos arrastados pela chuva. Ao mesmo tempo, a formação da forma de dedo permite que as formigas procurem terreno sólido. Se o encontram, migram para a terra, e se não o encontram, voltam a se agrupar e continuam esses ciclos de tempos em tempos até que o encontrem.

“Portanto, pensamos que os períodos com movimento que envolvem a formação de dedos são semelhantes ao modo coletivo que observamos em nossos experimentos e que gera as ondas de formiga nas colunas verticais”, concluem os autores.

Matéria ativa e sistemas fora do equilíbrio

As variações no estado de agregação das formigas têm implicações nas propriedades do material. Os autores explicaram que em estudos anteriores, eles “descobriram que as propriedades mecânicas mudavam drasticamente dependendo do estado do coletivo de formigas. Nas fases dominadas pela atração, o comportamento era semelhante ao de um sólido elástico. Em contraste, nas fases ativas, a comunidade se reorganiza no nível da partícula para fluir um pouco como um líquido.”

“Se analisada como um material ativo, a comunidade de formigas pode alterar o comportamento mecânico por meio de mudanças em sua atividade. Na ciência dos materiais, isso normalmente é obtido alterando a estrutura do material. No caso das formigas, isso pode ocorrer por estarem longe do equilíbrio. A transição sólido-líquido é resultado de mecanismos internos que trazem o sistema fora de equilíbrio e que lembra a atividade de partículas de matéria ativa. Não há mudanças estruturais relevantes; as densas comunidades de formigas estão sempre desordenadas “Esse comportamento nos lembra o personagem do filme Exterminador do Futuro, que passa espontaneamente de líquido para sólido. Nesse sentido, e apesar de sua complexidade, o Exterminador do cinema também é matéria ativa”, concluem os pesquisadores.

Com informações de Science Daily.

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