الرياضيات وعلم الأحياء: يمكن أن تكون غيوم البعوض بمثابة شبكات الخلايا العصبية

كيف تشكل البعوض تلك الأسرار المثيرة للاهتمام عند الغسق؟ يوضح الأبحاث التي أجراها فريقنا من مركز الأبحاث والابتكار والانتشار في علم الحية العصبية (Neuromat) بجامعة ساو باولو (USP) أن كل البعوض يعدل موقفه بناءً على القرب بين جيرانه. مع عمليات المحاكاة الحسابية ، تمكنا من تكوين أسراب طبيعية لأحوام طبيعية باستخدام نموذج بسيط.

تفترض النماذج الأخرى أن البعوض ينجذب إلى نقطة مركزية ، كما لو كانت مرتبطة بربيع غير مرئي. لكن هذا المنظور قد يكون أفضل فيما يتعلق بحالات السحب الحشرية التي تشكلت حول المصابيح ، والتي لا تنطبق على ظاهرة التكتل الطبيعي وسنحلل هنا.

افترضت فرضية أخرى أيضًا أن البعوض يمكنه حساب المسافة بينها وبين مركز السحابة.

يعتمد الاحتمال الأخير على كثافة البعوض الموجود في سحابة ، وتقييم السلوك الجماعي لهذه الحشرات. وبالتالي ، بالإضافة إلى تحدي الفرضيات التقليدية ، توسع النتائج فهم التطبيقات البيولوجية لمفاهيم الفيزياء.

كيف يعمل النموذج

في دراسة فريقنا ، المنشور في مجلة المجلة البرازيلية للفيزياء ، نستخدم مفهوم حي مور – وهو نهج شائع في النماذج الحسابية ، والذي يسمح بمحاكاة التباعد بين الحشرات في سحابة.

الاختبار الأصلي هو استخدام معلومات الموضع لأقرب ثمانية جيران ، في مستوى وهمي من تسعة نقاط. لنهجنا الثلاثة الأبعاد ، نحسب ما يعادل مكعب 3x3x3 ، أي 26 جيران بالقرب من البعوض المركزي.

يعتمد تقسيم الفضاء إلى الشبكات على مفهوم يعرف باسم التقدير. شيء ليس ضروريًا أو واقعيًا ، ولكنه كافٍ لإثبات فكرة أن البعوض لا يحتاج إلى معلومات لمسافات طويلة لتنظيم الأسراب. يقوم كل البعوض بضبط موقعه بناءً على كثافة الموقع ، أي عدد الجيران القريبين. هذا النهج البسيط ولكنه القوي استنساخ بدقة تشكيل وتشتت الأسرار ، مما يكشف أنماط مفاجئة.

انتقالات مرحلة الدرجة الثانية

في نتائج النموذج ، تظهر مرحلتين: واحدة ذات أسراب مدمجة للغاية ومرحلة ومرحلة أخرى مع أسراب متناثرة للغاية. فقط في المنطقة الانتقالية بين هاتين المرحلتين (المنطقة الحرجة) ، يكون النموذج قادرًا على وصف غيوم البعوض الملكي. وهكذا ، من الناحية العلمية ، فإن الاكتشاف الرئيسي لدراستنا هو أن الأسراب التي تشكلها البعوض تظهر سلوكًا جماعيًا مشابهًا لـ “تحولات المرحلة الثانية” التي تم تسهيلها ، وهو مفهوم راسخ في الفيزياء.

يتميز هذا النوع من انتقال الترتيب الثاني بتحول مستمر لمادة ناتجة عن عامل خارجي. مثال كلاسيكي على ذلك هو السلوك المدروس للغاية للمغناطيس. مع زيادة درجة الحرارة ، تفقد الذرات تدريجياً تنظيمها المغناطيسي. حتى ، عند نقطة حرجة ، لم تعد المادة مغناطيسية.

على عكس هذا السلوك ، تتضمن ما يسمى التحولات من الدرجة الأولى تغييرات مفاجئة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية لبعض المواد قيد الدراسة. وأفضل وأقدم مثال على ذلك بسيط للغاية: مرور السائل إلى الماء البخاري ، الذي تسارعته الحرارة الشديدة.

وما علاقة هذا بالدماغ؟

المرحلة والتحولات الحرجة في النظم البيولوجية هي موضوعات بحثية مهمة في الفيزياء الإحصائية الحالية. وصل هذا الموضوع ، الذي قد يبدو للوهلة الأولى المنفصلة ، إلى Neuromat من خط البحث عن الأهمية في الدماغ ، التي طورتها شبكتنا من المتعاونين.

في هذا الخط من البحث ، نظهر أن شبكات الخلايا العصبية يمكنها معالجة المعلومات بشكل أكثر كفاءة عندما تكون حاسمة على عتبة انتقال المرحلة. في هذه المرحلة ، تصبح الشبكة أكثر حساسية للمنبهات ويمكنها اكتشاف إشارات ضعيفة للغاية وقوية للغاية في نفس الوقت. يمكن أن تساعد هذه الآلية في توضيح كيفية تفسير الدماغ للروائح والصور ، حيث تحدث ظواهر مماثلة في نظام الشمية وشبكية العين. بالإضافة إلى ذلك ، نقترح أن العلاقة الكهربائية بين الخلايا العصبية تعمل على تحسين هذه القدرة ، مما يتيح لنا إدراك العالم بشكل أكثر دقة.

إن اهتمامنا في هذا المجال البحثي (الحركات الجماعية للحيوانات ، مثل البعوض) ، يرجع إلى شمولية أفكار الفيزياء الإحصائية التي يتم تطبيقها في البيولوجيا الحسابية. تذكر أن الفائز بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 2021 ، جورجيو باريسي ، كرس نفسه بشكل مكثف لمشاكل التحولات في شبكات الخلايا العصبية. ومؤخرا في محركات الأقراص في حالة سكر. والأكثر حداثة ، حصل الحائزون على جائزة نوبل 2024 على أفكارهم الانتقالية في المرحلة على شبكات الخلايا العصبية.

إن رؤية موضوع انتقالات الطور إلى مثل هذه الظواهر المتميزة ، من الخلايا العصبية إلى مجموعات البعوض ، توضح مدى ارتباط الأفكار النظرية في الفيزياء وعلم الأحياء. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظت هذه المعايير أيضًا في علم البيئة وعلم الأوبئة وحتى في علم الاجتماع و اقتصادتشير إلى أن المنظمة الجماعية على حافة انتقال المرحلة هي موضوع رئيسي في الأنظمة المعقدة.

على الرغم من أن الدراسة قد تطورت الفهم النظري للسلوك الجماعي للبعوض ، إلا أن الأسئلة المثيرة للاهتمام لا تزال قائمة: كيف تكتشف الحشرات الكثافة المحلية وتنسيق أفعالها أثناء الانتقال؟ تستمر هذه الألغاز في تبجيل وتعزيز أهمية استكشاف الظواهر اليومية لفهم قوانين الطبيعة العالمية. نعتقد أن عملنا يساهم في توسيع نطاق العلوم الرياضية والبيولوجية من خلال ربط المفاهيم الأساسية للفيزياء بالأنظمة البيولوجية على مقاييس مختلفة.

يحصل Osame Kinouchi على تمويل من FAPESP و CNPQ

Guilherme Roncaratti Galanti يتلقى تمويل من CNPQ.