Gli sciami di insetti e gli stormi di uccelli hanno caratteristiche molto simili a un sistema fisico in cui le fasi della materia―i solidi, i liquidi e i gas―cessano di esistere. È qui, vicino a quello che si chiama “punto critico”, che perturbazioni molto lievi sono in grado di estendersi istantaneamente in un gran numero di particelle e, allo stesso modo, in interi stormi e sciami.

Questa scoperta, di cui è responsabile un team di fisici dell’Università la Sapienza di Roma, potrebbe spiegare qual è la forza trainante e unificante dietro a un vasto regno di sistemi biologici apparentemente non connessi.

Materiali diversi presentano diversi diagrammi di fase, che sono spazi bidimensionali relativi agli effetti della temperatura e della pressione nella fase di una materia. Una certa area del diagramma indica dove il materiale è un gas, un’altra dove il materiale è un solido, e un’altra dove il materiale è un liquido. I confini tra le varie aree, tuttavia, sono sfumati ed esistono punti di intersezione in cui un materiale può comportarsi sia come un solido che come un gas, etc.

​

Immagini: Wikipedia

E oltre a questi confini c’è un anche quello che viene chiamato punto critico: in esso sia la pressione che la temperatura sono abbastanza alte da far sì che il materiale in realtà non occupi una fase propriamente distinta. Questo tipo di materiale è chiamato supercritico e si comporta in molti modi, che sembrano semplicemente sbagliati o assurdi―passando attraverso materiali solidi come un gas e sciogliendo altri materiali come se fosse un liquido. Un liquido supercritico può essere estremamente denso e pesante, ma anche fluttuare nell’aria come una nuvola di fumo. La CO2 supercritica, in particolare, è ampiamente utilizzata nell’industria.

In materiali sono presenti correlazioni a tutte le scale. In pratica, quello che faccio a una parte o una particella vale per tutto il sistema. Se spingo un blocco di ghiaccio probabilmente il risultato sarà il movimento dell’intero blocco; se spingo un liquido acquoso o vapore acqueo, come è ovvio, non succede lo stesso. In un normale liquido o in un gas, “qui” semplicemente non ha una connessione con “lì”.

I ricercatori di Roma, guidati dal fisico Alessandro Attanasi, hanno cercato di estendere questo comportamento a sciami d’insetti, basandosi sulla promettente teoria―e su una serie di risultati sperimentali―per cui tutti i sistemi naturali si comportano in maniera critica e sviluppano correlazioni su tutte le scale. L’effetto su un singolo uccello o un insetto influenza l’intero sciame o l’intero stormo.

Ecco i risultati, riassunti su American Physical Society Viewpoint: “l’interessante messaggio di Attanasi e colleghi è che i gruppi biologici come gli sciami coordinano i loro movimenti per ottimizzare la capacità di reagire collettivamente (ad esempio per evitare i predatori o per attrarre partner sessuali). Le loro osservazioni, infatti, forniscono prove più solide a sostegno della criticità nei gruppi di animali rispetto alle correlazioni trovate in gruppi di animali più ordinati, come stormi di storni.”

Fondamentalmente, gli sciami e altri sistemi collettivi in natura, compresi il cervello umano e le reti di regolazione genetica, ottengono tutti i vantaggi della coesiva organizzazione di un solido (il blocco di ghiaccio), e la fluidità necessaria per poter reagire agli stimoli ambientali. È un adattamento molto efficace.

“Un cervello ‘critico’ potrebbe avere diversi vantaggi funzionali, come ad esempio una migliore risposta agli stimoli, la capacità di esistere in molti stati, e la trasmissione e l’immagazzinamento ottimale di informazioni,” hanno scritto i fisici Hugues Chaté e Miguel Munoz, che avevano il compito di rivedere il nuovo studio per l’APS. “Rafforzando questa idea, alcuni ricercatori hanno sostenuto che i calcoli complessi possano essere effettuati solo da ‘macchine’ che operano al punto critico. Tuttavia, la sfida è capire come un sistema biologico arriva a ottenere e a mantenere questa criticità”.

Le particelle sono particelle: punti nello spazio. Una molecola è solo il più piccolo dei filamenti di un’organizzazione fisica. Uccelli, insetti e cervello, invece, sono grandi macchine biologiche insondabili a confronto. Trovare il collegamento sarà una bella sfida.