Perché è importante investire in ricerca sulle api (e non solo)?

Microscopio

Avete mai sentito parlare dell’algoritmo delle api? Io no, ma mi ci sono imbattuto proprio l’altro giorno mentre svolgevo una delle mie solite ricerche. In poche parole si tratta di un algoritmo che imita il comportamento delle api durante la fase di raccolta del nettare. Ma a che cosa ci serve sapere tutto questo? Partiamo dal principio…

A CHE COSA SERVE UN ALGORITMO?

Ogni volta che facciamo acquisti online o che prendiamo un aereo, quando si salvano vite umane negli ospedali, e perfino quando perdiamo tempo su Facebook o guardiamo un film su Netflix, ci sono dietro una serie di algoritmi che lavorano silenziosamente dietro le quinte.

Diamo per scontate tutte queste funzioni, ma fanno sempre più parte della nostra vita, anche se noi non le vediamo. Tutto questo è possibile grazie agli algoritmi.

Ma che cosa sono questi algoritmi?

Gli algoritmi in soldoni non sono altro che “pezzetti di matematica“, capaci di risolvere problemi, a volte anche sorprendenti.

Fra i più importanti tipi di algoritmi ci sono i cosiddetti “algoritmi di ordinamento”. Ciò che fanno è appunto mettere le cose in ordine, ed hanno un’infinità di applicazioni pratiche.

Per fare un esempio:

Internet può essere visto come un flusso di pacchetti di dati che vengono inviati attraverso la rete. Per riorganizzare e mettere in ordine questi pacchetti nell’ordine corretto gli algoritmi di ordinamento sono assolutamente essenziali: è proprio grazie a questi che possiamo vedere immagini, video, o leggere le nostre email nella maniera corretta.

Più la tecnologia avanza, più i dati da organizzare aumentano la propria mole, per cui i vecchi algoritmi di ordinamento, seppur sempre funzionanti, diventano obsoleti e si rende necessario lo sviluppo di soluzioni più efficienti.

Ma che cosa c’entra tutto questo con le api? Ebbene a volte attraverso scoperte apparentemente insignificanti a livello pratico, nascono stupefacenti avanzamenti tecnologici che hanno un grande impatto nella vita di tutti i giorni.

TUTTO NACQUE PER CASO
Robot industriali utilizzati nel settore automobilistico. 
Robot industriali utilizzati nel settore automobilistico.

Alcuni ingegneri industriali e sistemisti, affascinati dal modo in cui i robot nelle fabbriche lavorano senza l’intervento umano, si posero questa domanda: come fanno le api a raccogliere il nettare? Lo fanno in maniera efficiente?

Gli ingegneri in questione: Craig Tovey, John J. Bartholdi III, e John H. Vande Vate, scherzosamente affermarono che forse potevano aiutare le api a migliorare la loro efficienza durante la raccolta di risorse, ovvero di polline e di nettare.

In realtà sospettavano che questo studio avrebbe potuto aiutarli ad imparare qualcosa in merito all’efficienza delle catene di approvvigionamento e produzione a livello industriale.

Decisero quindi di lavorare con Thomas D. Seeley, uno degli scienziati più autorevoli quando si parla di api mellifere, nonché professore di biologia alla Cornell University… Nonché autore di numerosi paper scientifici… E di libri incredibilmente dettagliati sul comportamento delle api. Insomma, avete capito, sono un suo fan.

Fino a quel momento si conoscevano alcuni elementi del comportamento delle singole api durante la raccolta, ma ancora  sfuggivano parecchi dettagli sul comportamento globale di tutto il superorganismo durante l’approvvigionamento di cibo.

Per uno studio di questo tipo, la chiave consisteva nel poter monitorare il comportamento di ogni singola ape, ma come fare per riconoscerle?

Beh, è semplice! Almeno a parole…

Queste api sono state etichettate una ad una con un numerino ed un colore apposito, che veniva loro incollato sulla parte posteriore del torace. Parliamo di circa 4.000 api!

Le api si comportarono egregiamente nell’individuare i percorsi più vantaggiosi per la raccolta del nettare, ed un paper venne pubblicato a riguardo (link nelle fonti in fondo all’articolo).

 

COME RACCOLGONO LE API?
Danza dell'addome Waggle dance
Funzionamento della danza scodinzolante, ovvero il sistema di comunicazione utilizzato dalle api per “pubblicizzare” le fonti di cibo.

Quando c’è disponibilità di nettare, una colonia di api mantiene una certa percentuale di operaie come esploratrici, e le utilizza per andare alla ricerca di fonti nettarifere interessanti.

Il processo di raccolta incomincia quando le esploratrici si muovono da una zona fiorita all’altra; quando rientrano all’alveare, le esploratrici che hanno trovato una zona interessante per la raccolta (basandosi su parametri come ad esempio il contenuto di zuccheri nel nettare), depositano il nettare o il polline che hanno raccolto ed iniziano ad effettuare quella che viene chiamata “danza scodinzolante”.

Questa danza non è altro che l’unico sistema che posseggono le api per comunicare alle loro sorelle sostanzialmente 3 tipi di informazioni:

  1. La direzione in cui si trovano i fiori.
  2. La distanza di questi fiori rispetto all’alveare.
  3. La qualità del nettare o del polline raccolti.

Questa danza fornisce quindi alle api tutte le informazioni necessarie per trovare i fiori in questione, senza bisogno di utilizzare una mappa.

Dopo aver danzato, l’ape esploratrice torna alla fioritura che ha pubblicizzato, ed il numero di api che sarà riuscita a reclutare dipenderà sostanzialmente dalla qualità della fioritura. Quindi per intenderci, fioriture con ampia disponibilità di nettare o polline e che possono essere raccolte con meno fatica vengono giudicate di maggior interesse e quindi attireranno le api più facilmente. In questo modo la colonia può raccogliere cibo velocemente ed in maniera estremamente efficiente.

Vi ricordate di Craig Tovey? Faceva parte del team che ha lavorato con Seeley alla realizzazione dello studio.

Ebbene il Dr. Craig Tovey del Georgia Institute of Technology venne contattato anni dopo per sviluppare un buon algoritmo per l’assegnazione dei server ad una struttura di web hosting.

Indovinate un po’? Le problematiche esposte dal cliente sembravano combaciare perfettamente con quelle che le api si trovano a dover affrontare durante la raccolta di nettare e polline!

In quel momento Tovey si ricordò del lavoro svolto con Seeley e tirò fuori il paper pubblicato 15 anni prima.

 

L’ALGORITMO DELLE API

Non sono un sistemista, per cui per approfondire sul tema vi rimando alle pubblicazioni scientifiche che trovate in fondo all’articolo, nelle fonti.

Tuttavia vi riporto una rappresentazione semplificata dell’algoritmo in questione :

  1. Inizializzazione della popolazione con soluzioni casuali.

  2. Valutazione della salute della popolazione.

  3. Se il criterio non viene soddisfatto –> crea una nuova popolazione.

  4. Seleziona siti per una ricerca nelle vicinanze.

  5. Determina la grandezza della fonte nettarifera.

  6. Recluta api per i siti selezionati (più api sui siti migliori) e valuta lo stato di salute.

  7. Seleziona l’ape più in salute da ogni fonte nettarifera.

  8. Abbandona siti che non apportano nuove informazioni.

  9. Assegna le api rimanenti alla ricerca casuale e valuta il loro stato di salute.

  10. Fine ciclo.

La parte cruciale dello studio risiede nel fatto che quando un’ape viene reclutata attraverso la danza, solitamente non arriva alla fonte indicata al primo tentativo. Le serve un po’ di tempo per diventare più efficiente, questo significa che cambiare la posizione in cui un’ape raccoglie è una transizione che per il superorganismo non è a costo zero.

Così come non è a costo zero per le compagnie di web hosting la procedura con la quale si sceglie se allocare le risorse del server al sito di una compagnia assicurativa piuttosto che quello della redazione di un giornale, o di una banca.

L’implementazione di questo algoritmo ha rappresentato una maggiore efficenza nella gestione delle risorse, con picchi che arrivano fino al 25%.

Questa equipe ha vinto il Golden Goose Award nel 2016, un premio che viene assegnato a coloro che tramite una ricerca di base, hanno permesso la realizzazione di invenzioni o innovazioni che hanno avuto un impatto significativo sull’umanità o sulla società.

Ora però seguitemi e facciamo un passo indietro:

  • Cosa sarebbe successo se lo studio sulle api non fosse stato finanziato?
  • Saremmo stati in grado di migliorare l’efficienza in questo modo senza le conoscenze pregresse sul comportamento delle api?
  • Era possibile prevedere che uno studio sulle api avrebbe portato ad un così importante avanzamento tecnologico in un settore apparentemente così distante?

E’ proprio sulla scia di queste domande che vorrei riagganciarmi al tema principale di questo articolo, ovvero al titolo:

PERCHE’ E’ IMPORTANTE INVESTIRE IN RICERCA?

Voglio rispondere a questa domanda raccontandovi un aneddoto che vede come protagonista un ingegnere aerospaziale tedesco naturalizzato statunitense, Ernst Stuhlinger.

Negli anni ’70 Mary Jucunda, una suora missionaria che si trovava in Zambia per assistere la popolazione con un altissimo tasso di morte per fame, scrisse una lettera ad Ernst, che in quel momento era Direttore Associato per la Scienza alla NASA.

Mary chiese come poteva Ernst chiedere al governo di spendere miliardi di dollari in progetti spaziali quando così tanti bambini morivano di fame sulla terra.

Ernst non tardò a risponderle, allegando alla sua lettera una copia della foto “Earthrise“, la straordinaria foto scattata nel 1968 durante la missione di Apollo 8.

Apollo 8 vista della Terra dalla Luna
Earthrise – Emblematica foto scattata durante la missione Apollo 8.

Nella lettera Ernst espresse immediatamente la sua ammirazione per il lavoro che Mary svolgeva fra i meno fortunati, pur sostenendo che credeva fermamente che il suo lavoro fosse  necessario poiché si trattava di un progetto che, sul lungo periodo, avrebbe contribuito a sviluppare soluzioni a problemi molto gravi ed attuali sulla terra.

Per chiarire la sua posizione, Ernst raccontò a Mary questa storia:

Circa 400 anni fa, in una piccola città tedesca viveva un conte. Era un benefattore, e donava gran parte dei suoi introiti alle persone povere della sua città. Per questo era molto ben voluto. La povertà era dilagante nel medioevo, e le epidemie di peste devastavano il paese frequentemente. 

Un giorno il conte incontrò uno strano uomo. Aveva un banco da lavoro ed un piccolo laboratorio in casa sua, e lavorava sodo durante il giorno per potersi permettere qualche ora libera alla sera da dedicare al suo secondo lavoro. L’uomo riuscì a ricavare delle piccole lenti da dei pezzi di vetro, a montare queste lenti in dei tubi,  e ad utilizzare questi marchingegni per osservare oggetti molto piccoli.

Il conte era molto affascinato dalle piccole creature che si potevano osservare attraverso l’ingrandimento, erano creature mai viste prima!

Invitò l’uomo a spostare il proprio laboratorio all’interno del castello, per diventare un membro del suo casato, e devolvere quindi tutto il suo tempo allo sviluppo e al perfezionamento di questi tubi ottici.

I paesani tuttavia si arrabbiarono quando vennero a sapere che il conte stava sprecando i suoi soldi, o almeno così credevano, in una trovata che non aveva alcuno scopo. “Stiamo soffrendo per la peste” dissero, “e lui paga quell’uomo per un passatempo inutile!”. Ma il conte rimase sulle sue convinzioni. “Io vi do’ ciò che posso, ma supporterò anche quest’uomo ed il suo lavoro, perché so che un giorno questo porterà a qualcosa di importante!”.

E infatti qualcosa di importante arrivò, e anche da lavori simili svolti da altre persone in giro per il mondo: il microscopio.

Oggi sappiamo che il microscopio ha contribuito più di qualsiasi altra invenzione ai progressi in campo medico, e che l’eliminazione della peste e molte altre malattie contagiose dai quattro angoli del mondo è stata resa possibile in gran parte grazie al risultato di studi effettuati grazie al microscopio.

Il conte, destinando parte dei suoi soldi alla ricerca e alla scoperta, ha contribuito molto di più al sollievo della sofferenza umana di quanto avrebbe potuto fare donando tutti i suoi averi agli appestati della sua comunità.

Se vi interessa leggere la lettera per intero, trovate il link nelle fonti in fondo all’articolo.

Foto di Ernst Stuhlinger - Fonte Wikipedia.
Foto di Ernst Stuhlinger

Quando si fa ricerca non si sa mai dove questa ci potrebbe portare.

Ciò che muove scienziati e ricercatori sono il fascino della scoperta e della conoscenza, il riuscire a svelare ciò che finora è ritenuto un mistero.

E’ estremamente difficile conoscere in anticipo quali benefici porterà alla società una determinata ricerca.

Ciò che invece è certo, è che senza la scienza e la ricerca questi benefici non li avremmo affatto.

Apprezzerei molto vostri commenti e domande su questo articolo! Usate il box dedicato ai commenti per farmi sapere cosa ne pensate. Iscrivetevi al blog o alle nostre pagine Facebook, Twitter, YouTube ed Instagram per avere sempre aggiornamenti in tempo reale!

A presto!

Luca.


Fonti:
The Pattern and Effectiveness of Forager Allocation Among Flower Patches by Honey Bee Colonies – John J. BartholdiIII, Thomas D. Seeley, Craig A. Tovey, John H. Vande Vate – 1993
On Honey Bees and Dynamic Server Allocation in Internet Hosting Centers – Nakrani, Tovey – 2004
Thomas Seeley – La democrazia delle api – Link Amazon
Link al testo completo della lettera di Ernst Stuhlinger (in inglese)

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Immagini:
Microscopio: By Chad Anderson, staff photographer for SFO Museum – Binocular compound microscope, Carl Zeiss Jena, 1914, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45625745
Robot Industriali: By Mixabest – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9820288
Vista della Terra: By NASA/Bill Anders – http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a410/AS8-14-2383HR.jpg, Kamu Malı, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=306267
Ernst Stuhlinger: By Army Ballistic Missile Agency – [1], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14700823

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