Scienza della sincronizzazione: la svolta nella ricerca

Lucciole, cellule cardiache, orologi e reti elettriche. Ogni cosa citata riesce a sincronizzarsi perfettamente e a mandare segnali all’unisono. Per secoli, gli scienziati sono rimasti perplessi di questo comportamento auto-organizzativo, arrivando alle teorie e agli esperimenti che costituiscono la scienza della sincronizzazione. Ma nonostante i progressi compiuti sul campo, i misteri persistono ancora, in particolare come le reti di elementi completamente identici possano non essere sincronizzati.

Ora, in un nuovo studio dell’edizione dell’8 marzo della rivista Science, i ricercatori del Caltech hanno dimostrato sperimentalmente come una semplice rete di identiche nanomacchine sincronizzate possa dare origine a stati complessi non sincronizzati. Immagina una linea delle ballerine Rockettes: quando tutte calciano allo stesso tempo, sono sincronizzate.

Uno degli stati complessi osservati dalla semplice rete sarebbe simile alle Rockettes che calciano “fuori fase” l’una con l’altra. Ossia, mentre alcune stanno iniziando un calcio con la gamba, quelle in mezzo stanno abbassando la gamba dopo il calcio.

Dalle reti semplici a quelle complesse

I risultati dimostrano sperimentalmente che anche le reti semplici possono portare alla complessità e questa conoscenza, a sua volta, può portare a nuovi strumenti per il controllo di tali reti. Ad esempio, comprendendo meglio come le cellule del cuore o le reti elettriche mostrino la complessità in reti apparentemente uniformi, i ricercatori potrebbero essere in grado di sviluppare nuovi strumenti per riportare queste reti nel ritmo.

“Vogliamo imparare come possiamo semplicemente solleticare, o spingere gentilmente, un sistema nella giusta direzione per riportarlo in uno stato sincronizzato“, afferma Michael L. Roukes,  professore di Fisica e investigatore principale del nuovo studio scientifico. “Questo potrebbe forse generare una forma di defibrillatori nuovi”.

Una scienza nata nel 1600

Le oscillazioni sincronizzate furono notate per la prima volta già nel 1600, quando lo scienziato olandese Christiaan Huygens, noto per aver scoperto la luna di Saturno Titano, notò che due orologi a pendolo appesi a un supporto comune alla fine sarebbero arrivati ​​all’unisono.

Attraverso i secoli, matematici e altri scienziati hanno escogitato vari modi per spiegare lo strano fenomeno, visto anche nelle cellule del cuore e del cervello, lucciole, nuvole di atomi freddi, i ritmi circadiani degli animali e molti altri sistemi.

In sostanza, queste reti consistono di due o più oscillatori (i nodi della rete), che hanno la capacità di spuntare da soli, inviando segnali ripetuti. I nodi devono anche essere collegati in qualche modo l’uno all’altro (attraverso i bordi della rete), in modo che possano comunicare e inviare messaggi sui loro vari stati.

Ma è stato anche osservato fin dai primi anni 2000 che queste reti, anche quando sono costituite da oscillatori identici, possono sfuggire spontaneamente dalla sincronizzazione e evolvere in schemi complessi.

L’esperimento

Per capire meglio cosa sta succedendo, Roukes e colleghi hanno iniziato a sviluppare reti di dispositivi nanomeccanici oscillanti. Hanno iniziato semplicemente collegandone due, e ora, nel nuovo studio, hanno sviluppato un sistema interconnesso da otto di questi dispositivi.

Con sorpresa della squadra, il sistema a otto nodi si è evoluto spontaneamente in vari stati complessi. “Questa è la prima dimostrazione sperimentale che questi molti stati distinti e complessi possono verificarsi nello stesso semplice sistema“, dice il coautore James Crutchfield, socio in visita, professore di fisica all UC Davis.

Per tornare alla metafora delle Rockettes, un altro esempio di uno di questi stati complessi sarebbe se alcune ballerine iniziassero a calciare, mentre altre nel mezzo facessero qualcosa di diverso, come agitare il cappello. Oppure, coppie di ballerine che compiono gli stessi movimenti tra altre coppie che fanno qualcosa di ancora diverso.

“La caratteristica sconcertante di questi stati particolari è che le Rockettes nella nostra metafora possono solo vedere il loro vicino più prossimo, ma riescono a coordinarsi con il vicino del loro vicino“, dice l’autore principale Matthew Matheny, ricercatore alla Caltech e membro della Kavli Nanoscience Institute.

“Non sapevamo cosa avremmo visto”, dice Matheny. “Ma ciò che questi esperimenti ci stanno dicendo è che puoi ottenere la complessità da un sistema molto semplice, qualcosa che è stato accennato prima ma che non è stato mostrato sperimentalmente fino ad ora“.
“Questi stati […] sono quelli che chiamiamo emergenti“, afferma Roukes. “Il tutto è maggiore della somma delle parti.”

Dove si arriverà con questi studi?

I ricercatori sperano di continuare a costruire reti sempre più complesse e osservare cosa succede quando sono collegati più di otto nodi. Dicono che più possono capire come le reti si evolvono nel tempo, più possono controllarle con precisione in modi utili. E alla fine potrebbero persino essere in grado di applicare quello che stanno imparando a modellare e capire meglio il cervello umano, una delle reti più complesse che conosciamo, con non solo otto nodi ma 200 miliardi di neuroni collegati tra loro tipicamente da migliaia di bordi sinaptici.

“Decenni dopo le prime teorie sulla scienza della sincronizzazione, e finalmente stiamo finalmente iniziando a capire cosa sta succedendo“, afferma Roukes. “Ci vorrà un po ‘prima di capire la rete incredibilmente complessa del nostro cervello.”

Il nuovo studio scientifico è intitolato “Stati esotici in una semplice rete di oscillatori nanoelettromeccanici”.