Intelligenza collettiva e ricerca sugli sciami con la realtà virtuale: scienziati tedeschi analizzano gli sciami di locuste – Immagine: Xpert.Digital
La ricerca VR rivela nuove strutture nelle cavallette
Breakthrough in cavallette: teorie a lungo termine confutate
La cavalletta del deserto ha avuto una terrificante reputazione per i tempi biblici. Con rave fino a 50 milioni di individui, questo tipo di insetto può causare danni devastanti mangiando intere aree di sicurezza nutrizionale nuda e mettono in pericolo. Ora i ricercatori dell'Università di Konstanz e del Max Planck Institute for Behavioral Biology hanno acquisito conoscenze rivoluzionarie sull'organizzazione di questi sciami e hanno confutato molti anni di teorie. Con l'aiuto della tecnologia innovativa di realtà virtuale, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che i sciami di cavalletta sono fondamentalmente diversi da quelli precedentemente ipotizzati. Questo studio pubblicato sulla rinomata rivista specialistica "Science" capovolge i precedenti modelli esplicativi e fornisce importanti approfondimenti che potrebbero contribuire alla migliore previsione e al combattimento di cavallette.
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Il fenomeno delle cavallette e il loro significato globale
Le locuste del deserto (Schistocerca gregaria) sono tra gli esempi più impressionanti di comportamento collettivo nel regno animale. Questi giovani insetti incapaci di volare, chiamati ninfe, inizialmente vivono come individui sedentari. In determinate condizioni, tuttavia, si uniscono in enormi sciami e iniziano a migrare, non senza meta, ma con un movimento coordinato, come se fossero controllati centralmente. Questi enormi collettivi di insetti possono comprendere fino a 50 milioni di individui, il che li rende uno dei più grandi collettivi animali del nostro pianeta.
Gli effetti di tali cavallette sono devastanti. Secondo i ricercatori, minacciano il sostentamento di ogni decima persona in tutto il mondo. Un esempio concreto di ciò ha fornito la massiccia peste di cavalletta sul corno dell'Africa tra il 2019 e il 2020, che ha devastato la produzione agricola e ha scatenato una carestia. La ricerca scientifica dei meccanismi che portano alla formazione e al movimento di tali sciami non è quindi solo di interesse teorico, ma ha anche una notevole importanza pratica per la sicurezza nutrizionale globale.
La teoria precedente: cavallette come "particella autonoma"
Per decenni, il comportamento collettivo delle cavallette è stato spiegato con l'aiuto di un concetto della fisica teorica. In questo modello, gli insetti sono visti come "partecipanti autopropri" (particelle autonome), che allineano le loro posizioni e le direzioni di movimento sui loro vicini immediati. Questa teoria presuppone che sia sufficiente se gli individui "entrano in fila" con i loro vicini diretti al fine di creare un movimento coerente attraverso l'intero sciame.
Un altro elemento centrale di questa precedente spiegazione era il presupposto che la densità degli animali sia un fattore decisivo per la transizione del movimento del galleggiante disordinato. Secondo questa ipotesi, il passaggio a un movimento coordinato inizia non appena ci sono abbastanza animali in uno spazio limitato. Questa teoria sembrava così convincente che serviva per decenni come modello standard per spiegare i movimenti collettivi nella fauna selvatica.
È interessante notare che precedenti ricerche condotte da Iain Couzin, anch'egli coinvolto nello studio attuale, avevano già fornito altre sorprendenti informazioni sul comportamento degli sciami di locuste. Il suo team ha scoperto che il cannibalismo potrebbe essere un fattore determinante nei loro movimenti migratori: le locuste si muovono in avanti per evitare di essere mangiate da dietro. Questa scoperta suggerisce che potrebbero essere in gioco comportamenti più complessi delle semplici reazioni fisiche.
L'approccio alla ricerca innovativa: la realtà virtuale rivela i segreti dello sciame
Al fine di comprendere meglio le complesse interazioni nei crediti della cavalletta, il team di ricerca intorno a Iain Couzin dal Cluster of Excellence Collective presso l'Università di Costanza e il Max Planck Institute for Behavioral Biology su un approccio rivoluzionario: realtà virtuale (VR). "Come è noto, è difficile riconoscere i meccanismi di interazione nei gruppi mobili di animali", spiega Couzin. "Gli individui si influenzano a vicenda e sono anche influenzati dal comportamento degli altri, in una complessa interazione".
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una sofisticata configurazione VR. Singole cavallette vive sono state posizionate su una palla in movimento, simile a un tapis roulant, che permetteva loro di muoversi liberamente. Gli scienziati hanno proiettato fino a 64 cavallette virtuali fotorealistiche attorno a loro, in modo che gli insetti reali credessero di trovarsi in uno sciame naturale. Questo metodo innovativo ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione a quali informazioni aveva accesso la cavalletta viva: quanti altri animali si trovavano nelle sue vicinanze e in quale direzione si stavano muovendo.
In un esperimento particolarmente rivelatrice, i ricercatori hanno piazzato veri cavallette tra due sciami virtuali, tre -dimensionali. Questa disposizione del test ha permesso loro di testare se gli animali reagiscono effettivamente al comportamento dei loro vicini diretti, come precedentemente ipotizzato, e si muovevano con loro come una cotta uniforme.
Risultati sorprendenti: un cambio di paradigma nella ricerca di sciami
I risultati degli esperimenti furono sorprendenti e fondamentalmente messi in discussione la teoria precedente. Contrariamente all'aspettativa dei ricercatori, i veri cavallette non si muovevano come parte di uno sciame grande e uniforme nella stessa direzione. Invece, si sono rivolti alla direzione di uno degli sciami virtuali e corsero appositamente verso di loro.
Questa osservazione ha dimostrato agli scienziati che la cosiddetta "risposta optomotoria" – un riflesso innato che induce le cavallette a seguire gli stimoli sensoriali del movimento – non è la causa del movimento collettivo coordinato. In effetti, i ricercatori non hanno trovato alcuna prova che le cavallette orientino la loro posizione e direzione di movimento in base ai loro vicini.
"I singoli animali non sono particelle", spiega Iain Couzin. "Dobbiamo vedere le cavallette come soggetti cognitivi e recitativi che osservano l'ambiente circostante e, su questa base, prendono le loro decisioni in cui vanno dopo." I ricercatori ora presuppongono che lo sviluppo di uno sciame dipenda molto più da ogni singolo cavalletto di quanto precedentemente ipotizzato.
Gli esperimenti hanno anche mostrato che gli animali a volte si sono discostati dal percorso congiunto, anche se avevano due sciami accanto a loro che correvano nella stessa direzione. Inoltre, il team non ha trovato prove che la densità degli individui, come precedentemente ipotizzato, fosse il fattore di innesco per il movimento sciame.
Importanza pratica per combattere le cavallette
Le nuove scoperte hanno implicazioni pratiche di gran lunga. Una migliore comprensione dei meccanismi fondamentali della formazione e del movimento degli sciami potrebbe aiutare a prevedere il comportamento degli insetti e a sviluppare strategie più efficaci per combattere gli intervalli di erba.
In considerazione del fatto che le cavallette minacciano il sostentamento di tutte le decime persone, l'importanza di questa ricerca non dovrebbe essere sottovalutata. Gli effetti devastanti della peste di cavalletta sul corno d'Africa tra il 2019 e il 2020, che hanno portato a fallimenti e carestie di raccolta, illustrano l'urgente necessità di migliori meccanismi di previsione e controllo.
Attraverso la consapevolezza che le cavallette non agiscono semplicemente come una particella fisica, ma come attori cognitivi individuali con i loro processi di decisione, nuovi approcci per controllare le devastazioni si aprono. Invece di fare affidamento esclusivamente su misure di controllo su larga scala, le strategie future potrebbero essere orientate alla comprensione e all'influenza dei processi di decisione individuale.
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Direzioni di ricerca future e "Center for Visual Computing of Collective"
I risultati rivoluzionari rappresentano solo l'inizio di una nuova comprensione del comportamento collettivo. Questo centro, che sarà tra le strutture più moderne per la ricerca del comportamento di gruppo, ha lo scopo di osservare sciami animali negli ambienti 3D olografici virtuali e analizzare i loro movimenti.
Parallelamente, il team di Couzin sta anche studiando il processo decisionale spaziale in diverse specie animali. Un recente studio pubblicato su PNAS mostra come gli animali elaborano la complessità del loro ambiente riducendo il mondo a decisioni sequenziali tra due sole opzioni. Questi risultati suggeriscono che i principi geometrici di base potrebbero spiegare come e perché gli animali si muovono in un certo modo, un approccio che potrebbe potenzialmente essere applicato anche alla comprensione degli sciami di locuste.
Una nuova era nella ricerca di comportamenti collettivi
La ricerca degli scienziati dell'Università di Konstanz e del Max Planck Institute for Behavioral Biology segna una svolta nella comprensione del comportamento collettivo nella fauna selvatica. Mettendo in discussione la teoria consolidata di "particelle auto-guidate", aprono una nuova prospettiva, i cavallette e gli altri animali come singoli decisori, il cui comportamento collettivo deriva da complessi processi cognitivi.
L'uso della tecnologia innovativa della realtà virtuale ha dimostrato di essere la chiave del successo. Ha permesso ai ricercatori di decifrare la complessità precedentemente impenetrabile dei collettivi animali e di ottenere approfondimenti fondamentali sull'organizzazione degli sciami. Questi risultati potrebbero non solo rivoluzionare la nostra comprensione teorica del comportamento collettivo, ma anche offrire soluzioni pratiche per combattere le cavallette che minacciano la sicurezza nutrizionale in tutto il mondo.
Il lavoro del team intorno a Iain Couzin, che ha già ricevuto il prestigioso premio Gottfried Wilhelm Leibniz per la sua ricerca nel campo del comportamento collettivo, sottolinea l'importanza della ricerca interdisciplinare nell'interfaccia di biologia, informatica e fisica. Mostra in modo impressionante come le tecnologie moderne possano aiutarci a decifrare gli affascinanti segreti della natura e allo stesso tempo sviluppare soluzioni pratiche per urtare problemi globali.
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Konrad Wolfenstein
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