La teoría de la materia activa explica el comportamiento grupal de la hormiga de fuego

El estudio revela que la densidad es fundamental para que las hormigas experimenten ciclos de actividad y pasen por periodos donde el conjunto de insectos se desplace de manera colectiva. En condiciones de densidad elevada, estos ciclos de actividad se manifiestan de manera sorprendente cuando la colectividad de hormigas se organiza formando una columna vertical; en este caso se generan unas ondas de actividad que se propagan hacia arriba.

La hormiga de fuego, modelo de estudio en física

La hormiga de fuego, un himenóptero con alta capacidad de reproducción y dispersión, se utiliza desde hace tiempo como modelo de referencia para estudiar sistemas activos a alta densidad. Bajo diferentes condiciones, la colectividad de hormigas experimenta lo que se conoce como ciclos de actividad: el conjunto de hormigas pasa por estados en los que buena parte de las hormigas están inmóviles, y otros estados donde prácticamente todas las hormigas se mueven.

«Estudiar los sistemas activos densos en un laboratorio no es nada trivial. Las hormigas son consideradas desde un punto de vista físico como partículas activas que consumen energía química para moverse. Se pueden concentrar fácilmente para crear un sistema denso que podemos utilizar para abordar cuestiones en el mundo de la materia activa», detalla Alberto Fernández-Nieves, que es profesor ICREA en el Departamento de Física de la Materia Condensada y el Instituto de Sistemas Complejos (UBICS) de la UB.

La materia activa, en concreto, se basa en partículas que pueden autopropulsarse y que, como consecuencia, se desplazan debido al consumo local de energía, a diferencia de los sistemas atómicos o coloidales, cuyos constituyentes se mueven como resultado de la temperatura.

De la atracción social al comportamiento colectivo

Existen dos grandes comportamientos que emergen en materia activa: uno es la transición a un estado en que el conjunto de partículas se mueve en la misma dirección (modo colectivo), un comportamiento que se suele relacionar con las bandadas de aves y bancos de peces. El otro comportamiento se manifiesta cuando la motilidad de las partículas disminuye con la distancia. En este caso las partículas se acercan y se paran, un resultado que se puede interpretar como una atracción entre ellas. Bajo ciertas condiciones, esta atracción puede dar lugar a la formación de agregados y, en algunos casos, a la separación entre una fase formada por hormigas inmóviles y una fase formada por ejemplares móviles.

Según el estudio, la densidad es decisiva para que el colectivo de las hormigas cambie entre estos comportamientos. «A menor densidad, la fase que observamos está relacionada con las atracciones sociales», apuntan los autores del estudio. «Los cambios en la fase de movimiento solo se observan cuando la densidad es suficientemente elevada. Esto explica por qué las ondas se generan siempre cerca de la base de las columnas de hormigas, donde la densidad es mayor».

El estudio constata que la atracción social de las hormigas —es decir, que interaccionen— se puede explicar como un fenómeno inducido debido a una motilidad decreciente con la separación hormiga-hormiga. En cambio, a densidades altas, esta atracción desaparece y la colectividad de hormigas adopta un modo colectivo grupal generando unas ondas de actividad que se propagan hacia arriba.

«Estas ondas de densidad y actividad reflejan que los estados de los ciclos de actividad donde todas las hormigas se mueven corresponden a una fase colectiva, que es similar a la fase organizada descrita, por ejemplo, en bandadas de pájaros, bancos de peces o manadas de animales», detallan los expertos.

Hormigas en modo colectivo en el medio ambiente

En la naturaleza, el modo colectivo de las hormigas de fuego se puede presentar bajo diferentes condiciones. Estos insectos, originarios de una región en la que abundan las lluvias y las inundaciones, han podido evolucionar para superar estos episodios extremos mediante estos ciclos de actividad.

«Para sobrevivir a estos fenómenos, las hormigas de fuego construyen balsas en las que todos los individuos están juntos y, por lo tanto, su densidad es elevada. Según estudios previos, cuando están en las balsas, las hormigas pasan periodos esencialmente inactivos en que la forma de la balsa es circular y otros en que se observa mucho más movimiento. En este último caso, la forma de la balsa se ve caracterizada por la formación de extensiones colectivas con forma de dedos», detallan los expertos.

En los períodos inactivos, la balsa se comportaría como un sólido elástico, de manera que ayuda a resistir los golpes de objetos arrastrados por la lluvia. A su vez, la formación de las formas de dedo permite a las hormigas buscar tierra firme. Si la encuentran, migran a la tierra, y si no es así, vuelven a agruparse y continúan con estos ciclos cada cierto tiempo hasta que lo consiguen.

«Por ello, consideramos que los períodos con movimiento que conllevan la formación de dedos son similares al modo colectivo que observamos en nuestros experimentos y que origina a su vez las ondas de hormigas en las columnas verticales».

Materia activa y sistemas fuera del equilibrio

Las variaciones en los estados de agregación de las hormigas también tienen implicaciones en las propiedades de los materiales. «En estudios previos, pudimos comprobar que las propiedades mecánicas cambiaban drásticamente dependiendo del estado de la colectividad de hormigas. En las fases dominadas por atracción, el comportamiento era parecido al de un sólido elástico. Por el contrario, en las fases activas, la colectividad se reorganiza a nivel de partícula para fluir en cierto modo como un líquido».

«Si se analiza como un material activo, la colectividad de hormigas puede cambiar de comportamiento mecánico a través de cambios en su actividad. En ciencia de materiales, esto típicamente se consigue cambiando la estructura del material. En el caso de las hormigas, esto es posible por estar fuera del equilibrio. La transición de sólido a líquido es la consecuencia de mecanismos que sacan el sistema del equilibro y que recuerdan a la actividad de las partículas de la materia activa. No hay cambios estructurales relevantes; las colectividades de hormigas son siempre desordenadas. Este comportamiento nos recuerda al personaje de la película Terminator, que pasa de líquido a sólido de manera espontánea. En este sentido, y pese su complejidad, el Terminator de la película es también materia activa», concluye el investigador.

Artículo de referencia:

Anderson, C.; Goldsztein, G.; Fernández-Nieves, A. «Ant Waves - Spontaneous activity waves in fire-ant columns». Science Advances, enero de 2023. Doi: 10.1126/sciadv.add0635

Anderson, C.; Fernández-Nieves, A. «Social interactions lead to motility-induced phase separation in fire ants». Nature Communications, noviembre de 2022. Doi: 10.1038/s41467-022-34181-0