giovedì, gennaio 15, 2009

La fisica e la biologia dell'emergenza: differenze tangibili e convergenze possibili.


Il concetto di auto-organizzazione è uno dei cardini della teoria della complessità, e ha destato molta attenzione la sua ubiquità in natura, particolarmente in diversi sistemi fisici. Richiede un certo coraggio associare questa proprietà ai sistemi biologici, specie nel caso di animali, dei quali non si possono trascurare le evidenti capacità cognitive, ancorché primordiali o elementari.
Per tornare ancora sugli insetti sociali, riporto un brano tratto da un'intervista a J.L. Deneubourg, chimico belga autore di parecchia ricerca sul tema dei comportamenti collettivi biologici, che aiuta nel difficile compito di contestualizzare l'auto-organizzazione nell'ambito degli animali sociali.

Se posizioniamo delle termiti sul fondo di una capsula Petri riempita di terra, notiamo che le termiti si adoperano a costruire pilastri distribuiti in maniera più o meno regolare. In questo caso abbiamo un fenomeno di pura autorganizzazione. Perché le termiti masticano delle palline di terra, le impregnano di feromone e infine le depositano, inizialmente a caso. Ma una pallina intrisa di feromone e in seguito depositata incita le altre termiti a depositare un'altra pallina nello stesso posto; in questo modo viene avviato un processo autocatalitico, che conduce allo sviluppo di un pilastro. [...] Questo processo di deposito di materiale e di attrazione esercitata dall'odore è sufficiente perché si produca una struttura spaziale regolare, ovvero una distribuzione regolare dei pilastri. Ma non esiste nessuna regola esplicita di misurazione nel cervello delle nostre piccole termiti. Non c'è nessuna istruzione nel sistema. La struttura emerge dalla dinamica, senza nessuna codificazione esplicita. Siamo molto vicini alla situazione prevalente in chimica e in fisica chimica.
J.L. Deneubourg, in La teoria della complessità di R. Benkirane.
Deneubourg mette giustamente in guardia dalla facile generalizzazione, dato che non tutti i comportamenti degli insetti possono essere ricondotti a schemi di auto-organizzazione in senso fisico:
E' a questo punto che iniziamo a distinguerci dai nostri colleghi che lavorano sull'auto-organizzazione chimica - e che sono prigionieri dell'auto-organizzazione! - in quanto l'animale non è come una molecola, e a differenza di quest'ultima è in grado di elaborare l'informazione. Talvolta abbiamo degli schemi di decisione, dei modi e delle procedure che non sono autorganizzate, ma che utilizzano la complessità individuale o la centralizzazione. A questo proposito possiamo ricorrere alla spiegazione di ciò che chiamiamo [...] template, vale a dire uno schema di organizzazione in cui la struttura che appare non risulta in realtà da una dinamica non lineare tra diversi elementi, ma corrisponde semplicemente a una struttura preesistente che non siamo in grado di vedere.
A proposito della costruzione della cella della termite regina, osserva:

[...] Siamo in presenza di un sistema che sembra molto sofisticato, mentre in realtà è molto più semplicemente la messa in atto di un piano, un pattern chimico.
[...] non ci troviamo in un quadro di autorganizzazione.
[...] l'autorganizzazione è definibile come la capacità di un gruppo di elementi di produrre una struttura a livello di insieme, senza che si avverta, alla scala del comportamento individuale, anche solo una minima traccia evidente di questa struttura.
Nell'esempio delle termiti [...] se avessi uno strumento in grado di farmi percepire il campo olfattivo intorno alla regina noterei una sorta di disegno tracciato dalle linee di isoconcentrazione del feromone, paragonabili alle curve di livello di una carta geografica, e vedrei che i mattoni della costruzione si dispongono seguendo una linea ben precisa. In qualche modo dunque il piano è preesistente.
J.L. Deneubourg, in La teoria della complessità di R. Benkirane
Se quindi è lecito parlare di comportamento emergente nei casi esposti, può invece essere improprio riferirsi ad essi in termini di auto-organizzazione. E questa è la prima conclusione cui possiamo arrivare nel caso di società di animali.
La seconda conclusione nasce invece dall'osservazione che l'auto-organizzazione, pur essendo una proprietà dinamica di un sistema di agenti - ovvero una proprietà della fisica del sistema - quindi non legata a capacità cognitive o alla presenza di "intelligenza", essa è scelta come strategia comportamentale in determinate circostanze dalle medesime collettività biologiche. La vera ragione del successo di questo tipo di comportamenti, che quindi sembra possibile riscontrare sia in biologia sia in fisica, pur con i dovuti distinguo, è sfuggente.
Le spiegazioni finora offerte dalla fisica poggiano sulla criticità auto-organizzata (SOC) oppure sui modelli di attaccamento preferenziale di Barabasi o della aggregazione limitata dalla diffusione (DLA).
Le spiegazioni in biologia, invece, affondano le proprie radici nell'evoluzione naturale.
Senza voler stabilire nessun primato dell'una sull'altra, concludo riportando che qualcuno (es. Stuart Kauffman) ha affermato che il denominatore comune potrebbe essere quel quarto principio della termodinamica che ancora nessuno ha potuto afferrare.

mercoledì, gennaio 07, 2009

Sensazionalismi galattici.


Sono insofferente al sensazionalismo mediatico, alle notizie condensate in poche righe (headline noise più che news) che, se non altro per mancanza di spazio, travisano i fatti di cui dovrebbero informare.
Tanto meno soffro queste cose quando le notizie in questione riguardano i risultati della ricerca scientifica e vengono condite di effetti speciali da seconda visione per impressionare i lettori. E non si venga a incolpare il volgo ignorante che non è sufficientemente preparato da cogliere l'evidenza che si cela tra le righe, quando anche le maggiori testate nazionali (una per tutti) pubblicano sulle rubriche scientifiche titoli che annunciano che la fine della nostra galassia è certa ed è stata calcolata con precisione dagli scienziati di centri di ricerca di evidente rilievo mondiale.
Così infatti è stata sensazionalizzata la press release dello Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics riguardo la notizia del recente risultato di studi e misure che ha permesso di valutare con precisione la velocità della Via Lattea e la sua massa totale, rendendola più simile sotto questi aspetti alla galassia a noi più prossima, Andromeda.
Il comunicato stampa non manca di rilevare che una maggiore massa implica un maggiore campo gravitazionale, e che questa circostanza aumenta le probabilità che le due galassie citate possano finire per collidere. Ma la vera notizia esposta è quella della maggior precisione delle misure dirette delle grandezze significative effettuata attraverso il sistema VLBA, dovuta a tecniche e metodi perfezionati rispetto a quelli utilizzati precedentemente in questo ambito.
Non vi è traccia nel comunicato del Centro per l'Astrofisica del Massachusets del codazzo di visioni fantascientifiche che partono da catastrofici sconvolgimenti tettonici nel nostro pianeta e terminano con epiche colonizzazioni spaziali alla Asimov. si è cercato di spacciare per previsioni quelli che possono essere soltanto scenari probabilistici, seppure possibili.
Chi si occupa di giornalismo scientifico farebbe meglio a spiegare qualcosa in più riguardo alle capacità previsionali dei modelli che vengono utilizzati per rappresentare sistemi non lineari. Ci siamo dimenticati che Poincarè ci ha già dimostrato l'impredicibilità del problema dei tre corpi? E qui si parla di galassie, dove di corpi ce ne sono qualcosa in più di tre. Per non dire del sistema solare, il cui comportamento caotico è stato già osservato: il noto effetto del caos deterministico sugli errori di previsione a causa dell'incertezza iniziale che cresce esponenzialmente col tempo, dovrebbe infondere più cautela perfino sulle previsioni del moto dei pianeti a noi più vicini sul medio e lungo termine, figuriamoci delle interazioni tra galassie.
Una citazione, per concludere:

Il comportamento di un sistema composto di numerose equazioni non lineari, contenenti vari parametri, in generale è imprevedibile a priori [...]. l'eventuale presenza di caos nella dinamica evolutiva dei modelli matematici costruiti sotto forma di sistemi dinamici, è un ulteriore elemento che priva i modelli del valore di metodi per la previsione in senso stretto del futuro. [...] le stesse caratteristiche caotiche della dinamica, cui i modelli a volte danno origine, rendono la previsione del futuro un'idea del tutto priva di senso.
C.S. Bertuglia, F. Vaio - Non linearità, caos, complessità.

sabato, gennaio 03, 2009

Insetti sociali.


Le colonie di insetti sociali ci pongono davanti ad interrogativi stimolanti sulle capacità di adattamento delle rispettive colonie, e attirano l'attenzione di studiosi del comportamento animale che dedicano la propria attenzione non tanto ai singoli individui quanto alle società che essi formano, ed alle dinamiche di queste entità collettive.
In un recente libro dedicato alle abilità costruttive degli animali un noto biologo ha scritto a proposito delle api:
Le api domestiche sono state erroneamente considerate come un modello di controllo centralizzato di tipo socialistico, invece rappresentano un modello assai valido di libera impresa, della Mano Invisibile di Adam Smith che regola domanda e offerta.
J.L. Gould e C.G. Gould - L'architettura degli animali.
In breve, il titolo regale attribuito all'ape regina è abusivo: quell'insetto è vitale per l'alveare, ma quasi esclusivamente dal punto di vista riproduttivo, e non da un punto di vista organizzativo.
Gli studi del settore hanno mostrato ormai che la società delle api domestiche fa ricorso a metodi di comunicazione molto complicati e peculiari della specie per coordinare il comportamento collettivo verso il raggiungimento degli obiettivi di sopravvivenza e sviluppo della colonia. Questo vale nella ricerca del cibo (è famoso il rituale della danza della api bottinatrici), nella difesa del nido, nella costruzione e riparazione dell'alveare, nella produzione del miele, e in tutte le attività della colonia. Sempre citando Gould:
Il funzionamento dell'alveare è caratterizzato da uno stato di equilibrio dinamico. [...] Il risultato è una risposta graduale, modulata sulle necessità dell'entità più grande (l'alveare), sempre pronta a reagire in tempi brevissimi. Ma le api non sono provviste di sistema nervoso centrale: ogni creatura agisce in modo indipendente.
[...]
Un buon esempio di comportamento organizzato secondo queste direttrici è la regolazione della temperatura dell'alveare. Quando il calore all'interno dell'alveare è troppo elevato, le api fanno vibrare velocemente le ali per raffreddare l'ambiente; se invece fa freddo fanno vibrare i muscoli preposti al volo per generare calore corporeo.
J.L. Gould e C.G. Gould - L'architettura degli animali.
Possiamo affermare di trovarci di fronte a fenomeni emergenti: l'alveare, il comportamento collettivo della colonia, come risultato di comportamenti messi in atto a più basso livello, cioè su scala individuale, sulla base di regole semplici elaborate sulla base di informazioni locali.
Questo non è vero soltanto per le api, ma è riscontrabile per diverse altre specie di insetti sociali, come termiti e formiche.

Tipicamente le formiche usano strategie basate sul recruitment (reclutamento). Quando una formica trova del cibo, ne recluta altre, che a loro volta reclutano ancora altre formiche e così via.
[...]
Il recruitment può avvenire in diverse forme. In certune specie gli insetti comunicano direttamente con altri individui. Dopo che uno ha trovato del cibo, ritorna al nido e guida uno o più compagni alla fonte di nutrimento. In altre specie le formiche comunicano indirettamente, attraverso un feromone chimico - un processo che prende il nome di mass recruitment. Dopo aver trovato del cibo, una formica ritorna al nido rilasciando lungo il percorso tracce feromoniche. [...] Quando altre formiche percepiscono la pista feromonica la seguono fino alla fonte di cibo. Quindi anche esse fanno ritorno al nido secernendo feromone che rinforza la pista. In poco tempo si costituisce una traccia intensa tra nido e cibo con centinaia di formiche che fanno avanti e indietro.
[...]
E' come se un qualche leader del nido avesse messo in atto un piano per raccogliere il cibo in modo sistematico e sequenziale. Ma naturalmente non c'è alcun leader. Il comportamento sequenziale di alto livello emerge interamente da interazioni parallele di basso livello.
Mitchel Resnick - Turtles, Termites and Traffic Jams.
Il semplice rilascio di una traccia feromonica è in condizione di innescare un comportamento di massa efficiente per il raggiungimento dell'obiettivo: in questo caso il foraggiamento della colonia. Questo tipo di dinamica rappresenta la versione delle formiche della chemiotassi che abbiamo visto a proposito del dictyostelium discoideum.
E' evidente che siamo di fronte ad un percorso evolutivo che ha premiato l'organizzazione collettiva rispetto all'azione individuale ed a-sociale di tantissime altre specie. Naturalmente ciò deve essere avvenuto con costi che hanno accompagnato i benefici di questo tipo di società animali, altrimenti oggi ci troveremmo con soli insetti sociali, mentre sono molte di più le specie solitarie. Come l'evoluzione abbia trovato la strada per la socialità di animali così poco complessi (se confrontati con i grandi animali) è un mistero affascinante. E lo ha fatto almeno una dozzina di volte in modo indipendente soltanto tra gli insetti che conosciamo.

Oltre api e formiche, le termiti sono un'altra specie che gode dell'attenzione a volte meravigliata non soltanto dei biologi, a questo punto, ma anche degli studiosi della complessità e dell'organizzazione. I termitai, le colonie delle termiti, sfidano le capacità umane di ingegneria edile e civile:
Centinaia di migliaia di lavoratori ciechi cooperano in qualche modo alla realizzazione di queste opere: il lavoro procede rapidamente, come se si fosse in presenza di un architetto e di capisquadra, ma i progetti sembrano ammettere la costruzione di svariati edifici molto differenti tra loro. Sembra che questo risultato sia ottenibile solo mediante quel tipo di controllo dinamico (o conflitto creativo) che abbiamo visto all'opera nelle costruzioni delle api domestiche, nel loro sistema di regolazione della temperatura e quando lavorano, sciamano o danzano - cioè mediante quel bilanciamento in tempo reale che, senza dubbio, regola il comportamento degli insetti sociali più difficili da studiare.
J.L. Gould e C.G. Gould - L'architettura degli animali.
E il lavoro febbrile è eseguito non soltanto senza un progetto, ma senza la possibilità di costruire una rappresentazione dell'ambiente circostante che vada al di là di una scala locale rapportata alle dimensioni fisiche dell'insetto:

Nel cantiere delle termiti non c'è un direttore lavori, nessuno responsabile del progetto principale. Invece, ciascuna termite esegue un compito relativamente semplice. le termiti sono praticamente cieche, quindi esse devono interagire tra loro (e con l'ambiente circostante) principalmente attraverso il loro senso del tatto e del olfatto. Ma da interazioni locali tra migliaia di termiti, emergono strutture impressionanti.
Mitchel Resnick - Turtles, Termites and Traffic Jams.

Molta strada deve essere ancora fatta nella ricerca della comprensione delle dinamiche delle colonie di insetti sociali, e del modo in cui da comportamenti di basso livello eseguiti da agenti dotati di limitate capacità di rappresentazione dell'ambiente circostante e di elaborazione delle informazioni in loro possesso emergano organizzazioni altamente efficienti ed adattative nel proprio contesto ambientale.
Oggi, con l'uso di modelli informatici quali gli automi cellulari, sappiamo che dinamiche ordinate e regolari ad una scala possono emergere in modo non accidentale ma sistematico da routine semplici che hanno luogo a scale inferiori: iniziamo a non essere più sorpresi, ma non possiamo certo scambiare il comportamento di un modello con una realtà biologica evolutiva che non ci ha ancora svelato i suoi misteri.