Econeuro

Uno degli stimoli più decisivi in ecologia fu l’introduzione dei principi dell’economia e della gestione di impresa all’interpretazione delle relazioni tra le specie e tra le specie e l’ambiente. L’ecologia comportamentale ha offerto non solo una differente prospettiva, ma soprattutto ha promosso lo sviluppo di modelli quantitativi nello studio del comportamento. Adesso come sempre tra dire e fare c’è di mezzo la natura, la sua complessità, e la sua scarsa predisposizione a farsi tradurre con metodi e schemi logici. Un modello generico (con poche variabili) può funzionare relativamente bene, ma dà anche poche informazioni. Un modello molto specifico e complesso (con molte variabili), può essere davvero molto utile, ma in genere svirgola dopo poche iterazioni. In tutti gli approcci sistemistici c’è sempre una ricerca continua di ottimizzazione tra questi due estremi: modelli semplici, stabili, ma poco utili, e modelli complessi, dettagliati, ma incerti. Ogni caso studio richiede un bilancio tra questi due estremi, che non è mai facile da trovare e che comunque avrà i suoi pro e i suoi contro. Alla fine molti modelli servono più per capire il problema, analizzandolo e dissezionandolo nelle sue componenti, che non per trovare davvero lo schema segreto che unisce fattori e variabili. Non a caso spesso l’unica pragmatica utilità del modello è il suo stesso fallimento: si sviluppa un modello teorico, elegante e complicato, e poi si cercano di capire le ragioni del perché non ha funzionato. I nostri modelli possono essere, nel loro insuccesso, molto informativi, perché ci fanno notare componenti e relazioni che non avevamo considerato. Insomma, la strategia in genere è: creo una teoria logica, e poi ci metto dentro i dati per vedere se regge. Ma c’è anche una alternativa interessante: fare esattamente l’opposto. Algoritmi e reti neurali sono in grado di assimilare dati e auto-strutturare modelli che ne spieghino le relazioni. Questo secondo approccio (spesso integrato dal precedente) è ormai già ben oltre una prima fase di pionerismo incerto, e già conta con strumenti ben assestati come l’analisi di network per descrivere le interazioni comportamentali e le dinamiche degli ecosistemi, la path-analysis per costruire modelli causali a partire da correlazioni, o l’Akaike  Information Criterion che valuta il peso dell’informazione. In questo caso quindi il processo è inverso a quello classico: metto dentro i dati e genero un modello che li possa spiegare. Alla fine ho un modello del quale ignoro le cause e la logica, ma spiega perfettamente tutto e resiste a qualsiasi prova. In questo caso allora il passo successivo è cercare di capire il modello che si è autogenerato. In realtà in molti campi questo secondo passo non è fondamentale. Si pensi alla medicina, che cerca metodi di diagnosi e cura finalizzati a migliorare le condizioni di salute. In questo caso se un gigantesco frullato statistico scopre una combinazione speciale che ci rileva una patologia o il suo trattamento, il sapere come ha fatto è secondario, essendo più importante lo scopo medico (la cura del paziente o della popolazione) e non il meccanismo che c’è dietro. Nel caso dell’ecologia, sicuramente si può fare una analogia con la gestione e conservazione dell’ambiente, dove il risultato finale (la conservazione di un habitat o di una specie) è più importante del capire i meccanismi nascosti dietro la struttura ecologica. Risolto il problema senza sapere i dettagli del processo, c’è tutto il tempo poi di capire come ci si è riusciti, anche perché capirlo sicuramente migliorerà la comprensione del problema originario. Senza contare che, a problema risolto, la rete neurale cibernetica si può spegnere, ma quella cerebrale del ricercatore resta ancora accesa, probabilmente a occhi sbarrati, insoddisfatta di aver trovato una soluzione perfetta ma incomprensibile.

E Bruner

“Vecchie termiti Kamikaze”

Una scoperta affascinante del 2012: le termiti operaie della specie neotropicale Neocapritermes taracua, native della Guiana Francese,  possono esplodere per difendere la propria colonia dai predatori. La cosa interessante e’ che questa strategia difensiva e’ adottata solo dalle operaie “anziane”, ben distinte da quelle giovani per la presenza di strutture cristalliformi blu tra torace e addome. Studi sul campo dimostrano che le secrezioni rilasciate a seguito dell’esplosione sono in grado di uccidere o paralizzare le termiti di un’altra specie competitrice (Labiotermes labralis). La rimozione dei cristalli blu dalle operaie provoca la perdita delle proprieta’ tossiche delle secrezioni emesse dopo l’esplosione. Elettroforesi e spettometria di massa sui cristalli individuano la presenza di una nuova proteina ricca in rame, suggerendo un’alta affinita’ con l’ossigeno. L’ipotesi e’ che tale molecola diventi tossica solo quando in contatto con le secrezioni delle ghiandole salivari e che sia proprio questo mix ad innescare l’esplosione. Un apparato difensivo molto complesso determinato prevalentemente dall’eta’ dell’operaia.  Gli “zaini esplosivi” di Neocapritermes taracua crescono con l’eta’ e sono riempiti con i cristalli blu secreti da un paio di ghiandole situate nell’addome. Le mandibole delle operaie non cambiano con la muta e diventano man mano meno affilate con l’avanzare dell’eta’. Gli individui piu’ vecchi sono di conseguenza meno abili nel foraggiare e meno efficienti nel mantenimento dei nidi rispetto agli individui piu’ giovani. Tale declino in produttivita’ ed efficienza da parte delle operaie attempate sarebbe quindi compensato dal potenziamento delle loro armi difensive, trasformando questi individui in una sorta di “soldati kamikaze”. Benche’ la strategia del suicidio per la difesa della colonia sia stata ipotizzata in molti insetti sociali, questo e’ il primo studio a dimostrare che tale comportamento puo’ attivarsi in determinate circostanze durante il ciclo vitale. Sarebbe interessante fare uno studio per comprendere i meccanismi molecolari alla base del cambiamento dei programmi comportamentali delle operaie di questa specie con l’eta’. Immagino che siano verosimilmente legati all’epigenetica…

Valeria Marasco

Wallace, 2013

 Alfred Russel Wallace (1823-1913) navigava alla scoperta di un pianeta sconosciuto pagandosi la vita spacciando l’esotico ai salotti annoiati e curiosi del kitsch vittoriano. Il frutto di una prima tappa amazzonica andò quasi tutto letteralmente in fumo dentro una barca che prendeva fuoco nel bel mezzo dell’oceano. Il secondo tentativo, malese,  invece finì presentato quasi a sua insaputa alla Linnean Society da Darwin e Lyell, è fu poi chiamato teoria dell’evoluzione per selezione naturale. A differenza di molti grandi nomi di quei tempi, alle spalle c’era una famiglia con risorse limitate e poco aggancio. A parte i problemi economici pressoché costanti, questo gli vale una rassegnata esclusione dai circoli ufficiali della cultura, che anche a fronte di una fama internazionale, eclettica, e incontenibile, frequenta e illumina solo grazie al costante impegno di padrini sinceramente riconoscenti e definitivamente più ammanicati. Gli inizi tra l’ingegneria e i lavori rimediati, poi i viaggi e i contatti con i grandi del suo tempo. Pietra miliare della biogeografia, zoologo e botanico, soprattutto bacarozzaro. Attivista sociale, sempre, contro lo sfruttamento delle classi lavorative, a favore del voto femminile, contro gli sprechi del militarismo, denuncia gli abusi del colonialismo e la corruzione del sistema giudiziario. Le conoscenze biogeografiche e sociali lo portano all’ambientalismo, alle denunce contro i rischi del degrado ambientale, dalla deforestazione all’erosione del suolo. Mente logica e razionale, quando le evidenze arrivano al limite delle conoscenze sono necessari fattori ignoti per spiegare quello che non si può spiegare, e abbraccia lo spiritismo come realtà scientifica ancora da indagare. Insomma, brillante, indomito, curioso, popolano, socialista, rivoluzionario, ecologista, e spiritista: sarebbe troppo anche per la nostra società, figuriamoci per quella vittoriana! A fronte del successo indiscusso in tutti questi campi, la storia e la scienza hanno poi preferito consegnare questa vita ad un onorevole oblio, riconoscendone l’immancabile contributo alla teoria evoluzionistica ma senza entrare troppo nei dettagli, figuriamoci nei meriti. Ma hanno dovuto aspettare prima di chiudere il cassetto: è morto a casa sua dopo novanta primavere, mentre continuava a scrivere e pubblicare su dinamiche biogeografiche, sulle barriere riproduttive, sui danni ambientali del capitalismo, sul ruolo dell’uomo nell’universo e sull’astrobiologia, sul mesmerismo e sull’ipnosi. Oggi è il giorno della sua nascita, e quest’anno è il centenario della sua morte, che lo vede invitato speciale di celebrazioni e iniziative scientifiche e divulgative. La Linnean Society, con una presentazione di John Allen, propone un numero virtuale che raccoglie i suoi scritti principali pubblicati sulle riviste dell’istituzione, insieme ad altri articoli strettamente ispirati alle sue idee. Molta bibliografia si può trovare nella Alfred Russel Wallace Page. C’è poi un Alfred Russel Wallace Website, e un Wallace Online. Altre informazioni si trovano sul sito del Natural History Museum di Londra. Le linee di Wallace erano diverse e molteplici, andavano ben oltre i confini biogeografici, e molte di loro non sono state ancora esplorate. Bentornato.

E Bruner

Corvi prudenti

L’abilità di utilizzare oggetti piuttosto che il proprio corpo per interagire con oggetti vicini in situazioni rischiose è ben conosciuta nell’uomo e nello scimpanzè. È stato recentemente dimostrato che anche il corvo della Nuova Caledonia (Corvus moneduloides) è in grado di utilizzare oggetti in contesti potenzialemente rischiosi, come quello di avvicinare del cibo posizionato vicino ad un predatore. L’esperimento condotto su undici corvi selvatici tenuti in condizioni di cattività ha mostrato che gli animali utilizzano più frequentemente oggetti per raggiungere il cibo quando questo è posizionato vicino ad un modello artificiale di serpente piuttosto che in vicinanza di un teddy bear (video). Le reazioni neofobiche verso i due oggetti sono state simili, rafforzando l’idea che il corvo sia in grado di riconoscere la potenziale pericolosità dell’oggetto. In effetti, un teddy bear non appare così minaccioso per un corvo come il serpente. Lo studio suggerisce anche la capacità dei corvi di possedere differenti rappresentazioni di corpo e strumento, e di poter sfruttare tale capacità a proprio vantaggio. Passi successivi saranno certamente quelli di capire se passate esperienze con potenziali predatori sono necessarie per sviluppare tale comportamento e, soprattutto, definire le basi cognitive che modulano l’uso contesto dipendente degli strumenti.

David Costantini

La balena fantasma

Nascosti tra oceani, foreste, e deserti, sappiamo esserci animali mai visti, e che forse mai si vedranno. Certo non ci aspettiamo che, per alcuni di questi, già ci sia un nome ad aspettarli. La balena dai denti a spatola (Mesoplodon traversii) non é mai stata avvistata, ma ha una nicchia tassonomica già pronta e definita. E’ chiaro che una balena mai vista si meriti a tutto riconoscimento il primato di balena più rara del mondo … non essendo mai stata avvistata! La chiave della questione è un olotipo registrato con una mandibola di una collezione osteologica, trovato in Nuova Zelanda nel 1872, a cui sono seguiti due crani parziali trovati in Nuova Zelanda negli anni 50 e in Cile nel 1986. Le balene dal becco (Mesoplodonti) sono nuotatori di profondità, con un buon grado di diversità biologica. Entrambi le caratteristiche creano problemi non solo alla localizzazione degli esemplari, ma anche al loro riconoscimento. Poco tempo fa ci fu un avvistamento del tutto particolare: in Sardegna! Ma oggi finalmente abbiamo una prima testimonianza della sconosciuta balena dai denti a spatola, che ci permette finalmente di darle una connotazione morfologica: una fotografia. Nel 2010 due esemplari morti di mesoplodonti sono stati trovati spiaggiati, sempre in Nuova Zelanda. Il Dipartimento di Conservazione li ha misurati, fotografati, e ne ha preso campioni di tessuto. Poi, dopo averli classificati come Mesoplodonte di Gray (la specie più comune del genere), li ha sotterrati e via. Ma successivamente i cetaceologi forensi sono andati a vedere il DNA, e hanno beccato l’anomalia, finendo sulla copertina di Current Biology. Le molecole hanno tradito la balena fantasma, che a questo punto conta con due scheletri completi in più (velocemente riesumati) e una collezione di foto ricordo che ne testimoniano l’esistenza e ne raccontano il volto, le forme, e i colori.

E Bruner

Idrogeometria

Le creste delle cisti degli anostraci formano un labirinto lipoproteico sulla superficie della gastrula dormiente. La variabilità delle geometrie non sembra essere troppo strettamente associata alla filogenesi o alla tassonomia, e la loro funzione è ancora ragione di dibattito evolutivo. Una forma di quantificare un campione utilizzando la distribuzione spaziale di strutture irregolari è l’analisi frattale. Le strutture anatomiche non arrivano a quel livello di auto-ripetizione e indipendenza di scala delle strutture geometriche teoriche, ma a volte si presentano sufficientemente modulari da fornirne un’approssimazione. L’analisi frattale diventa uno strumento per poter quantificare questa approssimazione offrendo, almeno all’interno di uno stesso campione, uno strumento comparativo. L’abbiamo applicato agli schemi geometrici delle creste nelle cisti degli anostraci (Chirocephalus ruffoi). La geometria delle creste non sembra essere associata a variazioni delle dimensioni del corpo delle cisti, e presenta inoltre una particolare distribuzione bimodale: ci sono due tipi di cisti nella stessa specie, con uno più frequente dell’altro, e una zona “vuota” della variabilità morfologica. Escludendo il fattore allometrico e la possibile influenza delle dimensioni, rimangono in gara le componenti genetiche e (soprattutto) quelle ambientali. Tra ecologia e fisiologia, tra forma e funzione, l’anatomia di queste strutture si presta a indagini comparative e sperimentali, come modello evolutivo e chissà come risorsa della zoologia applicata alla valutazione ambientale.

E Bruner

A cavallo

Strutture rigide a una certo tipo di deformazione e flessibili solo in determinate direzioni tornano sempre utili in ingegneria, con esempi che vanno dalle corde di un ascensore agli stent biomedici. Strutture simili per esempio alla coda di un cavalluccio di mare. Qualche anno fa con Valerio Bartolino abbiamo pubblicato un lavoro di analisi geometrica su tutta la serie vertebrale di Hippocampus, quantificando gli schemi di variabilità morfologica seriale, le affinità tra i blocchi anatomici, le particolarità degli attacchi dorsali, e i fattori allometrici associati alla coda prensile. Ingegneri, morfologi, e radiologi dell’Università di Ghent (Belgio) hanno appena pubblicato su una nuova rivista International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering uno studio biomeccanico dettagliato sugli elementi caudali del cavalluccio, risultato di un multidisciplinare Seahorse Project. Con microtomografie e sincrotone hanno utilizzato tre esemplari di Hippocampus reidi per ricostruire le serie vertebrali ad una risoluzione tra 7 e 50 micron. Segue uno studio di dettaglio su tutte le componenti anatomiche, e un modello biomeccanico per analizzare le interazioni strutturali tra elementi ossei, dermici, e muscolari. La natura, un “enorme database di soluzioni testate sul campo” …

E Bruner

La faccia come il …

Voltarsi indietro quando si incontra qualcuno attrattivo, magari con una rapida occhiata alla silhouette, è un gesto celebre da strada. Il riconoscimento individuale e sessuale si compone di fattori anatomici e comportamentali, che si integrano con valutazioni estetiche ancora tutte da capire. Adesso, se il tema ha il suo interesse sociale e evolutivo, un’occhiata troppo esplicita ai bassifondi può costare cara. A Frans de Waal, referenza internazionale dell’etologia, è costata un premio ignobile. Ebbene si, dopo lo sbadiglio delle tartarughe dell’anno passato, hanno assegnato ancora una volta i premi Ig-Nobel, alle ricerche meno convincenti. Il noto etologo si è portato a casa quello sull’anatomia, per una pubblicazione sul riconoscimento individuale tra gli scimpanzé basato su immagini dei genitali. Il titolo dell’articolo “Faces and behinds” non aiuta a dare credito al lavoro, ma ancora una volta bisogna ricordare che spesso non è facile capire il valore di uno studio fuori dal contesto. Nel lavoro si dimostra che gli scimpanzé possono riconoscere altri individui associando il loro volto alle parti sessuali, e per di più solo guardando una foto. Non è poco, anche se bisogna dire che visto dall’esterno (in questo caso dal di dietro) la costruzione del “paradigma” fa sicuramente sorridere. Pare che in alcuni casi, in particolare tra gli esemplari maschi, vedendo la foto qualcuno abbia addirittura fischiato …

E Bruner

Diario di un disegnatore transumante

In un mondo di realtà virtuali e grafica digitale l’illustrazione scientifica si trova in un momento di ristrutturazione e ricerca di identità. La competizione con gli strumenti (e i costi) delle risorse digitali obbliga il disegnatore naturalistico a esplorare nuove nicchie, ma soprattutto a rinforzare il valore della prospettiva personale. Le immagini digitali possono trasmettere grandi quantità di informazioni, ma nel contesto scientifico il disegno, a parte il suo immenso valore artistico, ha ancora un ruolo autonomo e irrinunciabile quando quello che si vuole trasmettere non è una informazione ma un messaggio. Il disegnatore interpreta, orientando e selezionando l’attenzione, e creando quella particolare combinazione di elementi che comunicano una prospettiva, un ragionamento. Eduardo Saiz è uno dei migliori disegnatori naturalistici spagnoli,  quarant’anni di carriera, laureato nel 1980 in biologia a Barcellona, narratore dell’uomo e del suo ambiente, dalla paleontologia ai cammini della transumanza, e ci racconta della sua professione …

Che tipo di preparazione e esperienza sono necessari per riuscire ad entrare nella prospettiva dell’illustrazione scientifica?

L’illustratore scientifico deve conoscere le tecniche e le strategie del disegnatore, ma anche avere una conoscenza delle discipline con cui dovrà lavorare. Quanto meglio conosce questi due ambiti, tanto migliore sarà il risultato. Si tratta di fondere scienza e arte come bagaglio informativo, per riuscire a esprimere efficientemente una conoscenza. Certamente non è comune avere una formazione accademica in entrambi i settori. In genere il biologo o il naturalista si avvicina all’arte come autodidatta, o l’artista si interessa di temi scientifici. La passione è sempre stata un buon cammino per riuscire a superare qualsiasi ostacolo. Chiaramente l’intuizione e le capacità personali, come in tutti i campi del sapere, sono componenti aggiuntive decisive.

Quali sono i fattori più importanti quando inizi a progettare un disegno?

I dubbi e i timori di solito invadono il disegnatore quando si trova davanti al foglio bianco con le idee che si agitano nella testa, e a volte è meglio affidarsi al metodo. Che vogliamo spiegare? Quali sono gli aspetti principali e quali i secondari? Sono le domande a guidarci lungo il cammino. Sono necessari dettagli precisi per ottenere un sufficiente rigore. La distribuzione dell’immagine nello spazio determinerà la sua efficacia espressiva e la sua eleganza. Bisognerà realizzare bozzetti per catturare tutte quelle idee che vanno e vengono, dar loro forma e fissarle sulla carta. Bisognerà selezionare la tecnica adeguata (graffito, china, colore …). Il colore per esempio non sarà importante per un fossile, ma sarà in cambio una informazione rilevante per un uccello o per un fiore. Bisognerà scegliere una dimensione e un formato idoneo, condizionato dalla complessità dell’illustrazione o dalla sua destinazione. Con questi elementi il progetto si va sviluppando senza maggiori difficoltà, e alla fine i problemi da risolvere riguardano piuttosto i vincoli e le gestioni editoriali o, nel caso dei musei scientifici, le questioni logistiche. Spesso ci sono difficoltà addizionali, come quando l’oggetto o il modello da disegnare influenza il lavoro perché di grandi dimensioni, o perché è un animale vivo che bisognerà osservare nel suo ambiente.

Quali disegnatori naturalistici ci consigli di seguire?

Sono molto conosciute le opere e la grande capacità tecnica di osservazione di Leonardo da Vinci e Albrecht Dürer, ed è molto utile continuare a seguire i lavori di chi ha aperto il cammino. Io distinguo tra l’ambito dell’illustrazione scientifica più stretta, che descrive minuziosamente la morfologia e spiega le funzioni o il comportamento, e un ambito più artistico, con maggior preoccupazione nel trasmettere sensazioni, sempre senza dimenticare il rigore. Nel primo gruppo meritano considerazione illustratori come per esempio Jordi Corbera, Amadeu Blasco, i fratelli Françesc y Angels Jutglar, Lluís Sanz, o Juan Varela. Tra i disegnatori più artistici invece ho seguito i passi di Robert Bateman, Lars Jonsson, Raúl Martín, David Barker, Chris Bacon, o Fernando Fueyo. Mi piacciono molto le note di campo di Kim Atkinson o David Daly, è un lavoro che considero molto importante per qualsiasi disegnatore.

Consigli per chi si mette in questo cammino?

Il disegno destinato a spiegare la realtà è soprattutto osservazione. Senza una osservazione preliminare e profonda, che ci permetta prima di tutto a noi stessi di acquisire questa conoscenza, non possiamo trasmetterla agli altri. Il buon disegnatore naturalistico deve essere un osservatore innamorato della vita che trascorre intorno a lui, un “voyeur” instancabile impegnato nel capire i fenomeni, catturare le forme, interpretare i fatti. E deve coltivare e sperimentare il suo modo di espressione, accompagnandosi sempre col suo quaderno di note sul campo dove la matita, la penna, o il pennello possano depositare copiosamente le sue osservazioni, e i suoi piccoli esperimenti espressivi. Dimmi come osservi le cose, e ti dirò se poi potrai  spiegarle agli altri.

E Bruner & E Saiz

Lux fiat

Un topo col cervello trasparente e i neuroni fosforescenti non è esattamente un prodotto darwiniano di selezione naturale. Ma è quel che serve se si vuole poi rivelare struttura e organizzazione neuronale usando un microscopio sensibile alla luce. Il microscopio confocale a foglio di luce attraversa selettivamente strato a strato, registrando la disposizione delle componenti cellulari senza risentire dei segnali luminosi fuori dal piano di scansione. E se in genere il cervello si misura in funzione di volume o di numero di cellule, in questo caso il problema quantitativo si fa logistico: un centimetro cubico di tessuto restituisce un terabyte di infomazione, con non pochi problemi di gestione alla ora di analizzare o anche solo visualizzare il risultato istologico. Il Projectome nasce da una collaborazione tra Icon Foundation, il laboratorio europeo di spettroscopia non-lineare LENS, il Campus Biomedico di Roma, e il CINECA. Il risultato digitale raggiunge una risoluzione del decimo di micron, rivelando forma e disposizione dei neuroni e l’organizzazione degli strati cellulari. TeraStitcher è la risorsa open che assembla e gestisce  informazioni anatomiche con queste ingombranti dimensioni di memoria, e Vaa3D il programma che può integrarlo dentro di un kit di strumenti digitali multidimensionali per microscopia. L’istologia è sempre più digitale, e il pixel sta promuovendo una riunificazione delle tecniche micro e macroanatomiche, che iniziano insieme una nuova fase condividendo i principi e i metodi dell’informatica.

E Bruner