Scaling dinamico in sciami di moscerini

Giovedì, 22 Giugno, 2017
Scaling dinamico in sciami di moscerini 
In un articolo appena pubblicato su Nature Physics i ricercatori del gruppo COBBS presentano evidenze sperimentali dell'emergere di leggi di scala dinamiche in sciami di moscerini, mostrando come un approccio di fisica statistica sia fondamentale per la comprensione dei fenomeni collettivi in biologia.
 
Osservando uno sciame di moscerini si ha l'impressione che ognuno si muova un po' a caso attratto da un qualche punto di riferimento, come una pozzanghera o un lampione. Ma, si sa, spesso l'apparenza inganna. Dove sembra regnare un grande disordine, si nasconde invece un'importante interazione fra gli individui dello sciame che si evidenzia in una forte correlazione fra i movimenti dei moscerini.
Il comportamento collettivo nei sistemi biologici presenta sfide teoriche oltre i confini della fisica statistica classica: gli elementi si muovono e il sistema è costantemente fuori dall'equilibrio. Inoltre spesso si è obbligati a contrattare con numerosi particolari del sistema la cui rilevanza è difficile da valutare. Ultimamente si cerca di migliorare questa situazione applicando alcuni concetti tipici dell'indagine fisico-statistica anche ai sistemi biologici.
 
Un esperimento condotto dal gruppo COBBS, coordinato da Irene Giardina del Dipartimento di Fisica, Sapienza e da Andrea Cavagna dell'Istituto dei Sistemi Complessi del CNR, ha mostrato l'emergere di leggi di scala dinamiche in sciami di moscerini. 

Nella figura accanto - Sciame di moscerini. La sovrapposizione di una sequenza fotografica evidenzia le traiettorie individuali.
 

I ricercatori, tra cui il dottorando del dipartimento di Fisica Daniele Conti, dopo aver convertito le acquisizioni video in traiettorie 3D tramite un software di tracking opportunamente sviluppato, hanno condotto un'analisi dati sulle traiettorie. Hanno in tal modo scoperto che le correlazioni spazio-temporali delle velocità in differenti sciami possono essere riscalate usando un tempo caratteristico, che cresce con la lunghezza di correlazione dello sciame. L'idea delle leggi di scala sembra quindi andare oltre i confini dell'ordinaria fisica statistica. Inoltre la dinamica degli sciami presenta dei modi di rilassamento non dissipativi, un chiaro segno dell'esistenza di fenomeni di propagazione di informazione all'interno dello sciame.
 
Lo studio rappresenta un importante passo nell'applicazione di metodi della fisica statistica anche ai sistemi biologici, inoltre fornisce solidi risultati sperimentali con cui qualsiasi teoria futura degli sciami e dei movimenti collettivi in materia attiva dovrà confrontarsi.

Trajectories video
L'immagine dell'articolo è stata usata per la copertina di nature physicis del settembre 2017.

 

Referenze: 
Dynamic scaling in natural swarms
A. Cavagna, D. Conti, C. Creato, L. Del Castello, I. Giardina, T.S. Grigera, S. Melillo, L. Parisi, M. Viale
Nature Physics (2017)  doi:10.1038/nphys4153
 
 
Il gruppo COBBS e' un gruppo congiunto dell'Istituto dei Sistemi Complessi del CNR (UOS Sapienza) e del Dipartimento di Fisica. Il COBBS studia fenomeni di 'flocking' e 'swarming' partendo da esperimenti sui sistemi reali e sviluppando teorie e modelli basate sui dati.
Membri:  Andrea Cavagna, Daniele Conti, Irene Giardina, Stefania Melillo, Leonardo Parisi, Massimiliano Viale 
 
 
 
Contatti:
Andrea Cavagna   andrea.cavagna@roma1.infn.it
Irene Giardina   irene.giardina@roma1.infn.it