Nas tardes do início do outono em todo o mundo temperado, os mosquitos estão agora se reunindo para enxamear: nuvens de pequenas moscas, asas iluminadas pelo sol como tantas faíscas, girando em padrões muito rápidos e complicados para o olho seguir, mas deixando uma imagem mental posterior de pedido. Não é uma ordem perfeita, mas algo mais do que caos.
Essa impressão de ordem é precisa, de acordo com os cientistas que estudam esses enxames: Nos movimentos dos mosquitos, pode-se encontrar as assinaturas matemáticas das propriedades além do que se esperaria de uma nuvem de insetos. Como um grupo, eles se comportam como líquidos ou gases e até exibem as características de “criticidade”, aquele estágio estranho da matéria em que a transformação radical de um estado para outro ocorre em um piscar de olhos.
“A correlação coletiva pode emancipar o sistema de seus detalhes microscópicos”, disse a Dra. Andrea Cavagna, física do Instituto de Sistemas Complexos de Roma. Um enxame é muito mais do que seus mosquitos.
Antes que o Dr. Cavagna e sua parceira, a Dra. Irene Giardina, uma física teórica da Universidade La Sapienza em Roma, voltassem sua atenção para os mosquitos, eles estudavam bandos de estorninhos. Usando câmeras de vídeo de alta velocidade para medir a trajetória de cada ave em uma murmuração, como são chamados os bandos de estorninhos, os pesquisadores descobriram em 2009 que quando um estorninho muda de direção ou velocidade, o mesmo acontece com as aves mais próximas e, por sua vez, as aves mais próximas Essa. Cada estorninho em uma murmuração está assim ligado, não importa a distância entre eles.
No jargão da mecânica estatística, isso é conhecido como correlação livre de escala. É uma propriedade de criticidade – o que o líquido sofre no ponto em que se torna um gás, ou como as partículas em um pedaço de ferro quente, quando resfriadas a uma temperatura específica, mudam a orientação em uníssono e criam um ímã.
Este ano, o trabalho do Dr. Cavagna e da Dra. Giardina em estorninhos rendeu-lhes o prestigioso Prêmio Max Delbrück de Física Biológica. E durante os primeiros anos de sua pesquisa, enquanto levavam seus filhos pequenos aos parques de Roma, eles se maravilhavam com os enxames de mosquitos voando acima da grama e também começaram a se perguntar sobre eles.
Os enxames de midge não pareciam tão unidos quanto as murmurações, mas os insetos também não pareciam se mover completamente independentes uns dos outros. “Tínhamos a ideia de que o mesmo tipo de modelo também poderia ser usado para descrever os enxames de mosquitos”, disse Giardina.
Os pesquisadores treinaram suas câmeras nos enxames – um feito nada pequeno, dada a evanescência dos enxames e a curiosidade intrusiva dos transeuntes – e descobriram que, como estorninhos em um bando, mosquitos em um enxame são coletivamente correlacionados.
Eles não estão todos indo na mesma direção em sincronia quase perfeita, nem o grau de correlação é tão forte quanto nos estorninhos. Também pode haver subgrupos dentro de um enxame que se movem em direções diferentes, com indivíduos mudando de um subgrupo para outro – daí o aparecimento de desordem. No entanto, os mosquitos estão todos emaranhados.
Os pesquisadores também descobriram que, à medida que os enxames aumentam de tamanho, eles se tornam mais densos e os voos dos mosquitos tornam-se mais estreitamente correlacionados. Provavelmente, isso é uma função de como os mosquitos respondem ao som do zumbido das asas de seus vizinhos e permite que eles mantenham um grau ótimo de correlação.
“É como se o sistema se autoorganizasse de forma a ter a resposta máxima possível”, disse Giardina. O Dr. Cavagna descreveu isso como uma forma de “surfar o máximo de suscetibilidade”, permitindo movimentos súbitos e coordenados.
“Os modelos mais próximos em sistemas físicos são os ímãs”, disse Cavagna; isto é, a mudança coletiva repentina na orientação das partículas logo antes da magnetização. Mas ele enfatizou que os mosquitos que enxamearam não estão naquele ponto crítico, apenas perto dele.
Isso pode ser uma limitação física, observou ele. A verdadeira criticidade ocorre apenas em sistemas com muito mais unidades do que as encontradas em um enxame. Um ímã de ferro de um grama contém cerca de 10.000.000.000.000.000.000.000 de átomos de ferro, enquanto um enxame de midge de tamanho decente contém apenas várias centenas de mosquitos.
Também é possível que atingir a criticidade seja catastrófico para eles, tornando o enxame hipersensível a qualquer perturbação, sopro de ar ou qualquer que seja o equivalente a um espirro. “A melhor compensação é estar próximo da crítica”, disse o Dr. Miguel Muñoz, físico da Universidade de Granada, na Espanha, que acompanhou a pesquisa de perto. “Você aproveita a capacidade de resposta, mas não está muito perto, porque se você estiver muito perto, você responde a qualquer coisa.”
Os benefícios potenciais da enxameação são evidentes nas murmurações, cujas voltas e reviravoltas sincronizadas podem ajudar os estorninhos para fugir de predadores.
Enxames de midge, que consistem quase inteiramente de machos, também desempenham uma função reprodutiva, com as fêmeas entrando e tomando parceiros no ar. Talvez operar quase na criticidade conduza ao romance midge? Isso é desconhecido. Também é possível que as propriedades do enxame não sejam adaptativas, mas simplesmente “um efeito colateral da matemática”, disse Cavagna.
O Dr. Muñoz considera as descobertas do Dr. Cavagna e do Dr. Giardina “convincentes”, mas alguns cientistas discordam. Em seus próprios estudos com mosquitos cativos, o Dr. Nicholas Ouellette, físico da Universidade de Stanford, e seus colegas descobriram que as correlações não surgiam rapidamente. Quando eles surgiram, as correlações não se enquadraram no quadro de criticidade.
Os enxames ainda eram intrigantes, no entanto. Em um artigo de 2017 na Physical Review Letters, Dr. Ouellette e seus co-autores os descreveram como contendo mosquitos cujos padrões de voo criaram um núcleo condensado rodeado por uma camada de vapor.
E quando a equipe separou os marcos visuais sobre os quais um enxame se formou, o enxame se dividiu em dois. (Na natureza, os pontos de referência podem ser troncos ou folhas; no laboratório, são pedaços de papel.) Ao fazer isso, os enxames não se comportou como um fluido, mas como um sólido, “Parecendo estar sob crescente tensão antes de eventualmente se romper”, disse o Dr. Andrew Reynolds, biólogo teórico da Rothamstead Research, na Grã-Bretanha.
“Estímulos diferentes podem induzir comportamentos diferentes”, disse o Dr. Reynolds. Ele não estava envolvido no experimento de Stanford, mas colaborou em outros com o Dr. Ouellette, incluindo um em que um enxame de laboratório balançou e amassou como Jell-O. No início deste ano, o Dr. Ouellette e seus colaboradores descreveram como os enxames parecem ser regido pelas leis da termodinâmica.
Essas descobertas sugerem que um enxame pode ser entendido como uma entidade singular, em vez de uma coleção de insetos individuais, da mesma forma que um cristal de quartzo é percebido como um objeto discreto em vez de trilhões de átomos. “Você está acostumado a pensar nisso como uma coisa, porque não consegue ver do que é feito”, disse Ouellette. “Esses enxames têm propriedades materiais bem definidas que não são propriedades dos indivíduos, mas do grupo.”
Quanto às divergências sobre correlação e criticidade, elas serão resolvidas com mais pesquisas. Também é possível que os dois grupos estejam certos: talvez existam enxames de midge, dependendo do tamanho e das circunstâncias, em todas as formas que os pesquisadores descreveram.
Onde quer que a poeira científica assente, pode-se apreciar como os enxames são maravilhosos e o vislumbre tentador que eles fornecem dos princípios subjacentes a fenômenos aparentemente díspares. O interesse do Dr. Muñoz na pesquisa foi despertado pelas descobertas de criticidade em redes neurais e função celular; pode haver semelhanças entre a dinâmica dos enxames e o cérebro transformando a excitação celular em uma imagem, ou um genoma expressando as instruções em seu DNA.
“A criticidade pode ser um princípio unificador”, disse ele, que gera coordenação e complexidade requintadas a partir de componentes simples e que foi aproveitado muitas vezes pela evolução. E mesmo que os enxames não sejam quase críticos, as conexões ainda são profundas.
Dr. Reynolds observou que os pesquisadores há muito comparavam enxames para sistemas autogravitantes, comparando as forças que os ajudam a manter a coesão em um dia de vento às forças que mantêm os planetas unidos. Em um artigo recente, ele comparou os enxames ao acúmulo de poeira, gás e plasma em nuvens interestelares.
“Agora vejo grande beleza e sutileza sempre que vejo um enxame de mosquitos”, disse Reynolds. “Eles me param no meio do caminho.”
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