Las hormigas son insectos sociales y la especie Solenopsis invicta, conocida como hormiga de fuego, no es una excepción. Las interacciones sociales de este insecto invasor, originario de Sudamérica, se enmarcan en el contexto de la teoría de la Materia Activa, que explicaría el comportamiento grupal de las hormigas como una reacción a los mecanismos intrínsecos del sistema. Esta es una de las conclusiones del artículo publicado en la revista Science Advances por los investigadores Alberto Fernández-Nieves y Caleb Anderson, de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona, ​​y Guillermo Goldsztein, del Georgia Institute of Technology (Estados Unidos).

El estudio revela que la densidad es fundamental para que las hormigas experimenten ciclos de actividad y pasen por períodos en los que el grupo de insectos se mueve colectivamente. En condiciones de alta densidad, estos ciclos de actividad se muestran de manera sorprendente cuando la comunidad de hormigas se organiza en una columna vertical, creando ondas de actividad que se propagan hacia arriba.

La hormiga de fuego como modelo en física

La hormiga de fuego, un himenóptero con una alta capacidad reproductiva y de dispersión, se ha utilizado como modelo de referencia para el estudio de sistemas activos en alta densidad. Bajo diferentes condiciones, el colectivo de hormigas experimenta lo que se conoce como ciclos de actividad : el grupo de hormigas cambia de una situación en la que muchas hormigas están estacionarias a una situación en la que prácticamente todas las hormigas se mueven.

« Estudiar sistemas activos densos en un laboratorio no es trivial. Desde una perspectiva física, las hormigas se consideran partículas activas que usan energía química para moverse. Se pueden concentrar fácilmente para crear un colectivo denso que podemos usar para abordar cuestiones de materia activa ». señala Alberto Fernández-Nieves, profesor ICREA del Departamento de Física de la Materia Condensada y del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICS).

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

De la atracción social al comportamiento colectivo

Hay dos grandes comportamientos que emergen en la materia activa : el primero es la transición a un estado en el que el conjunto de partículas se mueve en la misma dirección (modo colectivo), comportamiento generalmente relacionado con bandadas de pájaros y cardúmenes de peces. El otro se manifiesta cuando la motilidad de las partículas disminuye con su distancia de separación de pares. En este caso, a medida que las partículas se acercan, dejan de moverse, resultado que puede entenderse como una atracción entre ellas. Bajo ciertas condiciones, esta atracción puede conducir a la formación de agregados y, en algunos casos, a la separación de una fase formada por hormigas estacionarias y una fase formada por hormigas en movimiento.

Según el estudio, la densidad es crucial para que el colectivo de hormigas cambie entre estos comportamientos. “Con una densidad más baja, la fase que observamos es la relacionada con las atracciones sociales”, dicen los autores. « Los cambios en la fase de movimiento colectivo se ven solo cuando la densidad es lo suficientemente alta. Esto explica por qué las ondas siempre se generan cerca de la base de las columnas de hormigas, donde la densidad es mayor ».

El estudio establece que la atracción social de las hormigas, es decir, su interacción, puede explicarse como un fenómeno inducido debido a una motilidad decreciente con la separación hormiga-hormiga. Sin embargo, a altas densidades, esta atracción desaparece y la comunidad de hormigas adopta un modo de grupo colectivo que da como resultado ondas de actividad que se propagan hacia arriba.

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

Modo colectivo de hormigas en el medio ambiente.

En la naturaleza, el modo colectivo de las hormigas de fuego se puede ver en diferentes condiciones. Estos insectos, que provienen de una zona con abundantes lluvias e inundaciones, han evolucionado para superar estos episodios extremos a través de estos ciclos de actividad.

“Para sobrevivir a estos fenómenos, las hormigas de fuego construyen balsas en las que todos los individuos se agrupan, por lo que la densidad de la balsa es alta. Según estudios previos, cuando están en las balsas, las hormigas pasan por periodos de inactividad donde la forma de la balsa es circular, y otros en los que hay más movimiento. En este último caso, la forma de la balsa se caracteriza por la formación de salientes colectivos con forma de dedo”, señalan los autores.

Durante los períodos de inactividad, la balsa se comportaría como un sólido elástico, lo que ayuda a resistir el impacto de los objetos que son arrastrados por la lluvia. Al mismo tiempo, la formación de la forma de un dedo permite a las hormigas buscar tierra firme. Si lo encuentran, migran a tierra, y si no lo hacen, se agrupan de nuevo y continúan estos ciclos de vez en cuando hasta que lo hacen.

“Por lo tanto, pensamos que los períodos con movimiento que involucran la formación de dedos son similares al modo colectivo que observamos en nuestros experimentos y que genera las ondas de hormigas en las columnas verticales”, concluyen los autores.

Materia activa y sistemas fuera de equilibrio

Las variaciones en el estado de agregación de las hormigas tienen implicaciones en las propiedades del material. Los autores explicaron que en estudios previos, « encontraron que las propiedades mecánicas cambiaban drásticamente según el estado del colectivo de hormigas. En las fases dominadas por la atracción, el comportamiento era similar al de un sólido elástico. Por el contrario, en las fases activas, la comunidad se reorganiza a nivel de partículas para fluir un poco como un líquido ».

« Si se analiza como un material activo, la comunidad de hormigas puede cambiar el comportamiento mecánico a través de cambios en su actividad. En la ciencia de los materiales, esto generalmente se logra cambiando la estructura del material. En el caso de las hormigas, esto puede ocurrir al estar lejos del equilibrio. La transición de sólido a líquido es el resultado de mecanismos internos que desequilibran al sistema y recuerdan la actividad de las partículas de materia activa. No hay cambios estructurales relevantes, las densas comunidades de hormigas están siempre desordenadas. « Este comportamiento nos recuerda al personaje de la película Terminator, que cambia espontáneamente de líquido a sólido. En este sentido, y a pesar de su complejidad, el Terminator de la película también es materia activa », concluyen los investigadores.