Sulle api e gli insetti sociali in genere: collaborazione stigmergica e intelligenza collettiva

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Annarosa Luzzatto

Mi scuso per l’intervento di una non-chimica come me in un sito come il vostro, ma il problema della comunicazione intraspecifica tra le api ed i loro “linguaggi”, di cui il Prof. Scorrano (1) ha scritto di recente, affascina anche me, ed in quanto biologa, anche se non particolarmente esperta in questo specifico campo, mi sento chiamata ad intervenire.

Scienziati e persone comuni nei secoli sono rimasti increduli e curiosi di fronte alle realizzazioni degli insetti sociali come formiche e termiti da una parte, api e vespe dall’altra. Le termiti costruiscono termitai alti anche alcuni metri, con una struttura interne molto sofisticata. Api e vespe, oltre a costruire nidi complessi, sono capaci di procurarsi il cibo esplorando il territorio e comunicando a tutto lo sciame dove trovarne di buona qualità.

Negli ultimi decenni gli insetti sociali come le formiche e le termiti sono state oggetto di analisi e studi approfonditi per la loro capacità di costituire società ordinate e collaborative, in grado di costruire strutture abitative molto complesse, pur essendo animali minuscoli con un sistema nervoso relativamente semplice

stimergico1

(Fig. 1). Comitiva di turisti di fronte ad un grande termitaio alto oltre 4 metri nel parco di Litchfield. (http://www.camperisti.it/b/conclusi/maustr91.htm, Australia, Agosto 2009)

Dallo studio della capacità di cooperazione di questi insetti ha tratto ispirazione anche la robotica. Si è scoperto che, con poche indicazioni basilari e in totale assenza sia di capi guida che di progetti organici, questi insetti sociali sono in grado di cooperare per raggiungere obiettivi complessi. Questa capacità di collaborazione tra pari ha preso il nome di stigmergy (2) termine coniato dal biologo francese Pierre-Paul Grassé (3) riferendosi alla costruzione dei termitai: le termiti dipenderebbero poco da interazioni dirette tra loro, ma piuttosto da segnali lasciati nell’ambiente cui rispondono migliaia di individui.

Imitando questo tipo di comportamento delle termiti, alcuni ricercatori hanno presentato un piccolo esercito di minirobot capaci di raggiungere obiettivi complessi collaborando tra loro (4). La capacità delle colonie di insetti di collaborare stigmergicamente ad un “progetto” comune è stata definita intelligenza degli sciami, “Swarm intelligence” (5) e la tecnologia dei micro robot ha preso il nome di “swarm robotics”(6)

Da quanto riportato, appare evidente che l’intelligenza limitata di animali minuscoli non è di per sé una limitazione delle loro potenzialità, perché questi minuscoli organismi, organizzati in gruppi di migliaia di individui, costituiscono una sorta di intelligenza collettiva, che ha portato alcuni autori a parlare di “superorganismo” (7).

Ma come comunicano tra loro gli individui di una stessa colonia? Termiti e formiche, animali terricoli, le comunicazioni si attuano principalmente tramite il tatto e l’olfatto, per mezzo di mediatori chimici (ferormoni) rilasciati sul terreno durante gli spostamenti: più spesso un determinato percorso viene seguito, più forte sarà la traccia odorosa. La vista svolge una funzione secondaria, la maggior parte delle formiche ha una vista scarsa ed alcune specie sono del tutto cieche.

Per gli insetti alati come le api l’olfatto non è sufficiente: sono attratte dal profumo dei fiori, ma se i fiori sono lontani dall’alveare non basta il profumo, sono necessarie indicazioni più precise.

Un’ape in un ampia campagna si trova un po’ come gli antichi navigatori vichinghi nel grande oceano: “Una nave Vichinga è sulla via del ritorno verso casa […] Ma la casa dov’è? Il cielo è sempre più nuvoloso, le stelle non sono quasi mai visibili ed anche il sole di giorno occhieggia di rado. […] Leif il Fortunato scorge un varco tra le nubi. Estrae dalla cintura la sua pietra del sole, guarda un lembo di cielo blu attraverso il cristallo, ruotandolo finché non diventa giallo. Ed ecco, Leif grida al timoniere indicando a dritta col braccio teso … verso casa.” (8)

stigmergico3

(fig. 3). http://www.nature.com/news/2011/110131/images/news58-i1.0.jpg. As highly skilled navigators, Vikings crossed thousands of kilometres of open sea. BRYNA PRODS/UNITED ARTISTS / THE KOBAL COLLECTION

Leif Eikson, il primo europeo a raggiungere il Nord America, usa una misteriosa “pietra del sole” dalle proprietà quasi magiche. Di recente si è scoperto trattarsi di un cristallo che permette di rilevare la polarizzazione della luce (9).

Per gli umani “vedere” la luce polarizzata non è facile, dato che l’occhio umano non è in grado di percepirla. L’occhio delle api invece la percepisce, come del resto molti altri animali (10). Gli occhi degli insetti sono composti da migliaia di ommatidi disposti a stella (le api mellifere ne hanno circa 5.500), ognuno con lente cristallino; la rodopsina (il pigmento visivo) si trova allineato parallelamente nei microvilli delle cellule visive, quindi ogni cellula avrà una differente sensibilità alla luce polarizzata a seconda dell’orientamento dei microvilli (11).

Dato che percepiscono la luce polarizzata, le api possono facilmente orientarsi rispetto al sole; tornata all’alveare, l’ape esegue una particolare danza per comunicare alle compagne la direzione e la distanza delle fonti di nettare appena individuate

Il primo a descrivere in modo esauriente la comunicazione tra api di uno stesso sciame è stato von Frisch, cui è stato attribuito il premio Nobel nel 1973 (12)

Gli studi sulla danza delle api sono poi continuati negli anni, intensificandiosi negli ultimi anni a causa della moria delle api stesse. Nel 2014 alcuni ricercatori della Sussex University hanno decodificato sperimentalmente il messaggio della danza delle api, verificandone le indicazioni in diverse stagioni dell’anno (13) . Altre ricerche sono invece focalizzate sull’efficienza della danza in api cui è stato impedito di riposare (14, 15)

Per concludere mi sembrano molto attuali le parole di un articolo di Armando Masserenti sul Sole 24 Ore (16). La cultura classica aveva stabilito una connessione intima tra gli uomini e le api. Perché le api sono, come gli umani, esseri altamente sociali, la cui vita è regolata da ruoli e regole precise. E anche da una forma di linguaggio. Questa è la grande conclusione cui arriva lo zoologo viennese e premio Nobel Karl von Frish nel 1945 […] Nella mentalità scientifica del tempo, gli esseri invertebrati erano da considerarsi “inferiori” sotto ogni aspetto, per cui veniva ritenuto impossibile riconoscere a degli insetti una qualsiasi capacità cognitiva. Come scrive Giorgio Celli, «l’uso dei segni presuppone una capacità di”lettura” del reale di cui l’uomo si credeva o si arrogava di essere il solo depositario». […]

Ora non solo le distanze tra l’uomo e gli altri animali si stanno accorciando, ma stiamo scoprendo che dagli altri animali abbiamo ancora molto da imparare. Le organizzazioni sociali di diversi animali, tra i quali le api, possono rappresentare un possibile modello di associazione cooperativa. Anche nella specie umana stiamo sviluppando una forma di “intelligenza collettiva” superiore all’intelligenza di ogni singola persona, come la “swarm intelligence” delle api trascende le modeste capacità di ogni singolo insetto.

Bibliografia

  1. Gianfranco Scorrano, Ancora sulle api: danza e odori, Blog della SCI, 15.11.23. https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/11/23/ancora-sulle-api-danza-e-odori/
  2. Wikipedia, Stigmergy. https://en.wikipedia.org/wiki/Stigmergy
  1. Bonabeau, E.“Editor’s Introduction: Stigmergy.”Special issue of Artificial Life on Stigmergy. Volume 5, Issue 2 / Spring 1999, p.95-96. (http://www.stigmergicsystems.com/stig_v1/stigrefs/article1.html)
  1. Justin Werfel,Kirstin Petersen,Radhika Nagpal, Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team. Science 14 February 2014, Vol. 343 no. 6172 pp. 754-758 , Ripreso da: “Robot-muratori o Robot-termiti: l’edilizia del futuro si ispira alla stigmergia degli insetti sociali”. Caterina Lenti, 14.02.23, http://www.meteoweb.eu/2014/02/robot-muratori-il-futuro-delledilizia-ispirato-alla-stigmergia-delle-termiti/264908/); si veda anche l’ambiente di sviluppo totalmente libero Netlogo dove ci sono programmi basati sugli automi indipendenti (dalle molecole agli insetti, agli uomini) che simulano la complesità a partire da molti automi indipendenti ciascuno dotato di regole di comportamento semplicissime https://ccl.northwestern.edu/netlogo/
  1. Swarm intelligence, https://it.wikipedia.org/wiki/Swarm_intelligence
  1. Swarm robotics, http://www.lswn.it/robotica/swarm-robotics/
  1. “Il superorganismo. Bellezza, eleganza e stranezza delle società degli insetti”. Bert Hölldobler ed Edward O. Wilson, Traduzione di Isabella C. Blum. Adelphi, Biblioteca scientifica, 2011.
  2. Da “Landnámabók” di Ari Thorgilsson . Il testo è tradotto da “The Viking Sunstone”, https://www.polarization.com/viking/viking.html.
  1. Gábor Horváth et al., On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers, The Royal Society Philosophical Transaction B, 31 January 2011. http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/366/1565/772, ripreso da Nature http://www.nature.com/news/2011/110131/full/news.2011.58.html.
  1. Polarized Light in Animal Vision: Polarization Patterns in Nature. Gábor Horváth,Dezsö Varju, Springer, 12 Jan 2004.
  1. Insects P-Ray Vision. The Biological Basis of Polarization Vision in Insects. https://www.polarization.com/eyes/eyes.html
  1. “Il linguaggio delle api”, Karl von Frisch, Bollati Boringhieri, 2012
  1. M. J. Couvillon, et al., Plos One, April 2, 2014. Waggle Dance Distances as Integrative Indicators of Seasonal Foraging Challenges. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0093495
  1. Barrett A. Klein et al., Sleep deprivation impairs precision of waggle dance signaling in honey bees. Pnas, vol. 107 no. 52, November 23, 2010, http://www.pnas.org/content/107/52/22705.abstract#corresp-1; riassunto in italiano: Chris Sorrentino, “Ape stanca, danzatrice pessima”, 15 dicembre 2010, http://naturamatematica.blogspot.it/search/label/Matematica%20degli%20animali#.VlCf4narSUk
  1. Leah Shaffer, Science,11.13.14. Sleep-Deprived Bees Do Weirder Waggle Dances. http://www.wired.com/2014/11/berrett-klein-honeybees/;

riassunto su The Guardian: http://www.theguardian.com/environment/2014/apr/03/honeybees-fly-further-in-summer-to-find-food-study-shows).

  1. “Von Frisch danza con le api”, Armando Masserenti, il Sole 24 Ore, 24 giugno 2012. http://www.ilsole24ore.com/art/cultura/2012-06-24/frisch-danza-081522.shtml?uuid=AbAUcIxF

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