La materia viva rompe las reglas de simetría física clásica en el movimiento colectivo, según un estudio

Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad Ben-Gurión del Néguev ha revelado que la materia viva viola sistemáticamente los principios clásicos de simetría física al formar y disolver patrones de movimiento colectivo, según un estudio publicado en la revista Nature Physics. Los hallazgos desafían los modelos físicos tradicionales tomados de los cristales líquidos pasivos y la teoría de la materia blanda, que durante mucho tiempo se han utilizado para aproximar cómo se mueven los grupos de células vivas. Al estudiar sistemas que van desde bacterias en enjambre hasta capas de células tisulares, los investigadores demostraron que las unidades biológicas que consumen energía generan flujos fuera del equilibrio que rompen simetrías espaciales y temporales fundamentales. El descubrimiento proporciona un marco más claro para comprender cómo se autoorganiza el tejido biológico durante los procesos de desarrollo, la cicatrización de heridas y la progresión de enfermedades.

## Key facts - Los investigadores dirigidos por la Universidad Ben-Gurión del Néguev publicaron sus hallazgos en Nature Physics el 22 de septiembre de 2026. - El estudio demuestra que la materia activa viva viola las leyes estándar de simetría física que rigen los materiales blandos inanimados. - Los experimentos analizaron el movimiento colectivo en múltiples sistemas biológicos, incluidas colonias bacterianas en enjambre y capas de células tisulares de mamíferos. - Los modelos físicos clásicos basados en la teoría de cristales líquidos pasivos no lograron predecir cómo se forman, se organizan y se descomponen los flujos biológicos. - La investigación establece que el consumo de energía a microescala por parte de las células genera tensiones activas fuera del equilibrio que rompen la simetría de inversión temporal y las simetrías espaciales.

## What happened En las ciencias físicas, los materiales pasivos como el agua, los polímeros simples y los cristales líquidos inanimados siguen principios de simetría bien documentados y fundamentados en la termodinámica y la mecánica estadística. Cuando los cristales líquidos pasivos transicionan entre estados estructurados y desordenados, sus moléculas constitutivas se alinean según principios de minimización de energía, manteniendo la paridad espacial y trayectorias reversibles bajo la inversión del tiempo.

Sin embargo, el equipo de investigación de la Universidad Ben-Gurión del Néguev (BGU) observó que las células vivas se comportan de manera fundamentalmente diferente cuando se organizan en flujos colectivos. Las entidades vivas consumen energía química —almacenada típicamente como trifosfato de adenosina (ATP) en células eucariotas o generada a través de procesos metabólicos en bacterias— para autopropulsarse y ejercer fuerzas sobre las células vecinas y la matriz extracelular circundante. Esta disipación continua de energía interna sitúa a la materia viva muy lejos del equilibrio termodinámico.

Los investigadores de la BGU rastrearon la aparición y el decaimiento del movimiento celular colectivo a lo largo de múltiples configuraciones experimentales, analizando tanto enjambres de bacterias móviles de alta densidad como capas confluentes de células del tejido epitelial. En los modelos clásicos de cristales líquidos, los defectos topológicos —puntos donde el orden direccional se interrumpe— se forman y se aniquilan en pares simétricos y predecibles. El estudio reveló que, en la materia activa viva, la formación y descomposición de estos patrones de flujo colectivo no obedecen estas reglas tradicionales.

En su lugar, la creación y aniquilación de defectos topológicos en tejidos vivos y enjambres bacterianos muestran fuertes sesgos direccionales y dinámicas irreversibles. A medida que los flujos celulares generan turbulencias de forma espontánea o colapsan en corrientes ordenadas, los patrones espaciales observados durante la formación del patrón no reflejan los vistos durante su descomposición. Esta asimetría estructural viola las relaciones clásicas de reciprocidad de Onsager y la simetría de inversión temporal, lo que demuestra que los modelos físicos pasivos no pueden describir adecuadamente las transiciones de fase y la dinámica de flujo de los colectivos celulares vivos.

## Why it matters Comprender las leyes físicas que rigen la materia viva tiene implicaciones directas en la biofísica, la biología del desarrollo, la ciencia de materiales y la oncología. Durante décadas, los biofísicos han dependido de versiones modificadas de la teoría de cristales líquidos pasivos —conocidas como modelos nemáticos activos— para describir los tejidos celulares. Sin embargo, el uso de modelos pasivos para representar sistemas biológicos activos a menudo conduce a predicciones incorrectas sobre la distribución de fuerzas, la deformación de tejidos y el transporte colectivo. Al definir con precisión cómo los sistemas vivos rompen las simetrías físicas, el estudio de la BGU ofrece un marco matemático mejorado para modelar el movimiento biológico.

En la investigación médica, la migración celular colectiva es un proceso fundamental en el desarrollo del tejido embrionario, la cicatrización de heridas y la metástasis del cáncer. Durante la organogénesis, las células deben migrar en capas coordinadas para formar estructuras tridimensionales complejas. Cuando la piel o las paredes vasculares sufren una lesión, las células vecinas migran colectivamente para cerrar la herida. Por el contrario, durante la invasión de tumores malignos, las células cancerosas con frecuencia se desprenden de los tumores primarios e invaden los tejidos circundantes como cúmulos colectivos en lugar de unidades aisladas.

Los modelos físicos precisos de estos comportamientos colectivos permiten a los investigadores biomédicos simular mejor cómo responden las estructuras tisulares a la tensión mecánica, la señalización bioquímica y las intervenciones farmacológicas. Además, en la ciencia de materiales, comprender cómo los sistemas biológicos aprovechan la energía localizada para lograr el autoensamblaje sin restricciones de simetría termodinámica podría permitir el diseño de nuevos materiales sintéticos. Tales materiales biológicos activos podrían autorrepararse, generar un bombeo microfluídico continuo sin partes mecánicas externas o reconfigurar de forma autónoma sus propiedades estructurales en respuesta a estímulos ambientales.

## The background El estudio de la materia activa surgió como una subdisciplina diferenciada de la física de la materia condensada blanda a finales de la década de 1990 y principios de la de 2000. Un hito fundamental ocurrió en 1995 cuando el físico teórico Tamas Vicsek y sus colaboradores introdujeron un modelo matemático simple que describía el movimiento colectivo de partículas autopropulsadas, como bandadas de aves o bancos de peces. Poco después, los teóricos de la materia blanda adaptaron las herramientas matemáticas de la física de cristales líquidos —impulsadas en parte por el premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes a finales del siglo XX— para describir sistemas biológicos cuyos elementos constitutivos se alinean como moléculas en forma de varilla.

Los cristales líquidos son estados de la materia que poseen propiedades intermedias entre las de los líquidos convencionales y los cristales sólidos. En los cristales líquidos pasivos, como los utilizados en pantallas electrónicas, las moléculas alargadas se alinean a lo largo de un vector direccional común, conocido como campo director. La física de los cristales líquidos pasivos está regida por principios de mínima energía: cuando se retiran las fuerzas externas, el sistema regresa a una configuración simétrica de baja energía regida por el equilibrio termodinámico.

En cambio, la materia activa consta de unidades individuales que convierten la energía química interna en trabajo mecánico. Los ejemplos van desde motores moleculares que se mueven a lo largo de filamentos del citoesqueleto dentro de una sola célula hasta bacterias en enjambre, capas de células epiteliales, bancos de peces y multitudes humanas. Dado que la energía se inyecta continuamente a la escala de las partículas individuales, la materia activa opera permanentemente fuera del equilibrio.

En las últimas dos décadas, los físicos introdujeron teorías de medios continuos "nemáticas activas" mediante la adición de términos de tensión activa a las ecuaciones tradicionales de cristales líquidos. Estas tensiones activas reflejan las fuerzas de empuje o tracción ejercidas por entidades autopropulsadas. Aunque los modelos nemáticos activos capturaron con éxito fenómenos como la turbulencia activa y la generación espontánea de flujo, con frecuencia conservaron simetrías matemáticas subyacentes heredadas de las teorías de cristales líquidos pasivos. El estudio de la BGU aborda directamente esta limitación teórica, demostrando que los mecanismos biológicos que impulsan el movimiento celular rompen activamente estas simetrías pasivas durante la formación y el decaimiento dinámico de patrones.

## Reaction La publicación de la investigación en Nature Physics ha atraído la atención tanto de la comunidad física como de la biológica, destacando un cambio en curso hacia el tratamiento de la materia viva como una clase totalmente independiente de material físico, en lugar de una derivada modificada de la materia blanda pasiva.

Se espera que los físicos teóricos especializados en mecánica estadística fuera del equilibrio reevalúen las ecuaciones nemáticas activas actuales para incorporar los términos explícitos de ruptura de simetría identificados por el equipo de la BGU. Es probable que los investigadores en física biológica se concentren en vincular estas violaciones macroscópicas de la simetría con estructuras biomecánicas microscópicas específicas, como la contractilidad de actina-miosina, los complejos de adhesión célula-célula como las caderinas, y los mecanismos de propulsión flagelar.

Si bien el estudio presenta un marco físico fundamental, se espera que los biólogos del desarrollo y los investigadores médicos examinen si tipos de tejido específicos o estados patológicos exhiben grados distintos de ruptura de simetría. Se anticipa que los foros académicos y los próximos congresos de física, como el American Physical Society March Meeting, incluyan debates sobre cómo integrar estas leyes físicas fuera del equilibrio en simulaciones computacionales del crecimiento de organoides y la expansión tumoral.

## What we don't know yet A pesar de haber establecido que los flujos celulares violan los modelos clásicos de simetría, quedan varias preguntas fundamentales sin resolver sobre los factores biológicos exactos detrás de estos fenómenos físicos. En primer lugar, las vías bioquímicas precisas que controlan la magnitud de la ruptura de simetría física en diferentes tipos de tejido no están completamente mapeadas. Aún no está claro cómo ciertas cascadas específicas de señalización intracelular —como las vías Rho-GTPasa que regulan la contractilidad celular— se reflejan directamente en los parámetros matemáticos de ruptura de simetría identificados en el estudio.

En segundo lugar, los hallazgos actuales abordan principalmente configuraciones experimentales bidimensionales y cuasibidimensionales, como monocapas celulares sobre portaobjetos de vidrio o suspensiones bacterianas delgadas. Cómo se traducen estas violaciones de la simetría física a entornos completamente tridimensionales, como embriones en desarrollo o tumores sólidos incrustados dentro de matrices extracelulares densas, sigue siendo un área de investigación abierta.

Por último, los investigadores aún tienen que determinar si las células malignas exhiben firmas de ruptura de simetría física diferentes en comparación con las células sanas no cancerosas. Si el tejido canceroso muestra simetrías de flujo fuera del equilibrio distintas durante la invasión colectiva, esta propiedad física podría servir potencialmente como un nuevo marcador diagnóstico o diana terapéutica, aunque actualmente se carece de pruebas experimentales de este concepto.

## What to watch En los próximos meses y años, varios avances clave indicarán cómo este progreso teórico moldea la física biológica y las aplicaciones biomédicas. Los investigadores seguirán de cerca los estudios de seguimiento que intenten formular ecuaciones matemáticas unificadas que expliquen explícitamente las simetrías rotas observadas en los flujos vivos.

Un hito fundamental será la implementación de estos nuevos parámetros físicos en software de modelado biofísico, que los investigadores utilizan para simular la morfogénesis, la cicatrización de heridas y la formación de redes vasculares. Si los modelos actualizados demuestran una precisión predictiva significativamente mayor en comparación con los datos experimentales de crecimiento tisular, es probable que el marco teórico propuesto por el equipo de la BGU se convierta en un estándar en la biología computacional.

Además, se espera que grupos experimentales pongan a prueba estos principios en cultivos de organoides tridimensionales complejos y modelos animales. Los estudios observacionales que analicen si la ruptura de la simetría celular varía durante etapas de desarrollo específicas o progresiones de enfermedades proporcionarán una validación crítica. En el campo de la ingeniería, los científicos de materiales seguirán de cerca los intentos de construir sistemas activos biohíbridos que utilicen la ruptura de simetría fuera del equilibrio para crear bombas de fluido autopropulsadas y biomateriales autorreparables.

Este informe se basa en investigaciones originales publicadas en Nature Physics y divulgadas por phys.org el 22 de septiembre de 2026.