La física de los pingüinos agrupados y el beneficio colateral

Un nuevo estudio de tres instituciones alemanas indica que los pingüinos, como los humanos, son egoístas y acuden a los zonas de confort colectivas. Al esforzarse por su propia comodidad personal, ayudan a otros miembros del grupo.

Los resultados de la investigación han sido publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, por los autores Alexandra Zampetaki (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching), Alexei Benno (Instituto para la Física Teórica, Universidad de Heinrich Heine, Düsseldorf) y Hartum Löwen (Instituto de Física de la Materia Condensada, Universidad Técnica de Darmstadt). La razón de ver físicos investigando sobre pingüinos radica en que la investigación se ha realizado desde la óptica de la dinámica de grupos de la comunicación entre partículas, tal como puede deducirse del propio título del artículo: Collective self-optimization of communicating active particles. En la investigación se trataron a los pingüinos como partículas que se mueven buscando la temperatura óptima. Confeccionaron un modelo nuevo para partículas activas que pueden autodirigir su dirección de movimiento. Estas partículas se comunican entre sí cuando detectan un recurso disponible dentro del conjunto. Este movimiento junto a la comunicación se describe mediante un campo escalar de temperatura. El efecto de este campo es que las partículas acudirán hacia donde se le proporcione una situación de temperatura más favorable en cada momento.

Calentitos, pero no mucho

El propio Abstract del trabajo comienza exponiendo lo siguiente: “La búsqueda de cómo autoorganizarse colectivamente para maximizar las posibilidades de supervivencia de los miembros de un grupo social requiere encontrar un compromiso óptimo entre maximizar el bienestar de un individuo y el del grupo”. Los pingüinos de la Antártida luchan contra el frío agrupándose entre ellos, es algo conocido por todos. Pero no es cierto que los pingüinos busquen siempre una mayor temperatura, se moverán para encontrar un ascenso de su temperatura actual, según sus propias condiciones corporales. Y esa es una de las claves, el constante movimiento de búsqueda de un aumento o descenso de temperatura, lo que convierte a la formación de grupos en un proceso altamente dinámico”.

Los investigadores han encontrado que la interacción con el campo conduce hacia un concepto que se conoce como “fuerza de tres cuerpos” o “fuerzas triples” entre partículas. Como su propio nombre indica, las fuerzas de tres cuerpos ocurren solo si hay tres cuerpos, no como en el caso de la interacción entre dos masas (gravitación) o dos cargas (Coulomb). Estas fuerzas triples son la clave para comprender la dinámica colectiva de las partículas activas que se comunican entre sí. Y es aplicable tanto en grupos de pingüinos que buscan optimizar su temperatura o bacterias que desean hacer lo mismo con el consumo de oxígeno. “Este concepto podría servir como un ingrediente útil para optimizar conjuntos de agentes activos artificiales o para ayudar a revelar aspectos de las reglas de comunicación usados por ciertos grupos sociales para maximizar sus posibilidades de supervivencia”.

La quimiotaxis, por ejemplo, “proporciona uno de los mecanismos de adaptación más simples pero eficaces”. Consiste en un fenómeno en el que las bacterias y otras células de organismos pluricelulares controlan sus movimientos en función de la concentración de ciertas sustancias químicas presentes en su entorno. “Muchos microorganismos pueden detectar la concentración de una sustancia química y subir (quimiotaxis positiva) o bajar (quimiotaxis negativa) su gradiente”. Este mecanismo, “que les permite ir hacia los nutrientes y alejarse de las toxinas peligrosas”, es usado para la señalización intercelular. La bacteria E. Coli y las células de Dictyostelium producen sustancias químicas colectivas al morir de hambre. El resto de individuos sigue el gradiente químico colectivo y pueden así soportar largos periodos de inanición. Esto ya se viene estudiando desde los años 70 del siglo XX, enmarcados en el modelo clásico de Patlak-Keller-Segel. Se tiene en cuenta aquí que el volumen de ocupación del espacio es finito, por lo que se restringe el espacio disponible en la habitabilidad de las células que lo integren. Otro ejemplo de gradientes de campo sería el de las algas Euglena gracilis, que buscan niveles óptimos de intensidad de luz para la fotosíntesis. A esta habilidad se le llama fototaxia. Si el movimiento no es orientado, hablaríamos de fotofobia o fotoshock.


En el caso de sistemas vivos más complejos el mantenimiento de condiciones óptimas (homeostasis) viene acompañado de respuestas fisiológicas, como venimos comentando, pero también conductuales. “Esto introduce un paradigma de termoregulación social para diferentes especies, como aves, ratones y ratas, siendo el caso más notable el de los pingüinos”.

Paseando a los pingüinos por las redes

El artículo original ha sido presentado en la propia página de la Universidad Heinrich Heine (HHU), de Düsseldorf, además de la en la cuenta oficial de twitter de dicha institución.

“Casi todas las leyes fundamentales de la física pueden describirse como un problema de minimización, por ejemplo, que la energía total se haga mínima”, explicó el Dr. Hartmut Löwen, director del Instituto en HHU. “Por el contrario, no hubo minimización en el sistema que examinamos. En cambio, sí hubo una optimización para llegar a una zona ideal ”. Esto permite hablar de una dinámica de grupos interna en la que hay beneficio “para todos”, a pesar de verse impulsada por el interés propio. El comportamiento global da como resultado una configuración no periódica en la que los individuos con menos vecinos se acercan para calentarse más.


El Dr. Benno Liebchen de Universidad Técnica de Darmstadt agregó: “La interacción entre los pingüinos a través de un campo creado de forma colectiva recuerda a cómo se comunican muchos microorganismos. Por ejemplo, las bacterias que consumen oxígeno podrían utilizar un principio de optimización similar para lograr la concentración óptima de oxígeno sin tener que coordinar su comportamiento”.

El Dr. Zampetaki concluyó: “El principio de optimización que descubrimos construye un puente entre la física y la biología y muestra cómo el modelado cuantitativo de reglas de comunicación simples conduce a fenómenos que serían inalcanzables basados en la interacción de emparejamiento ordinaria”.

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Soy físico de formación, aunque me interesan todas las disciplinas científicas. He escrito varios libros de divulgación científica y me encanta la Historia de la Ciencia.

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