Collective behavior of biological aggregates

Resumen

El comportamiento de los sistemas vivos puede mostrar fenómenos emergentes que no están presentes en sus componentes individuales. Los sistemas vivos están alejados del equilibrio, pueden carecer de leyes de conservación y es todo un reto emplear herramientas de la física estadística y la termodinámica. Experimentos y observaciones cuantitativas producen una gran cantidad de datos que permiten diseñar modelos que expliquen aspectos importantes del comportamiento de estos sistemas. Esta tesis se centra en dos temas, el comportamiento colectivo de los enjambres de insectos voladores como los mosquitos y el comportamiento colectivo de las biopelículas bacterianas. Los estudios previos de enjambres de insectos se han centrado en su formación como una transición orden-desorden, lo que no explica muchos aspectos tanto cualitativos como cuantitativos. En esta tesis estudiamos el modelo de Vicsek confinado por un potencial armónico. Usando herramientas de sistemas dinámicos y de mecánica estadística hemos descubierto una nueva transición de fase caracterizada por caos libre de escalas, que presenta leyes de potencias y tiene rasgos cualitativos compatibles con las observaciones y experimentos de laboratorio de enjambres de dípteros. Por otro lado, las biopelículas bacterianas plantean un reto teórico, pues se debe modelar elementos a diferentes escalas espaciales y temporales. Presentamos un modelo híbrido basado en una arquitectura de fronteras inmersas con un metabolismo de presupuesto de balance energético. El modelo captura las diferencias geométricas entre bacterias, generando patrones diversos según su forma y competencia entre bacterias de distintos tipos. Permite estudiar la resistencia de biopelículas a antibióticos y el diseño de cócteles para erradicarlos.