“Loners” fuori sincrono può proteggere segretamente sciami ordinati
Dense nuvole di storni si tuffano e si innalzano, riunendosi in tende ondulate che oscurano il cielo; centinaia di migliaia di gnu tuonano insieme attraverso le pianure dell'Africa in un ciclo migratorio coordinato, apparentemente senza fine; le lucciole lampeggiano all'unisono; intere foreste di fiori di bambù contemporaneamente. Gli scienziati hanno studiato queste affascinanti imprese della sincronizzazione per decenni, cercando di stuzzicare i fattori che consentono tale cooperazione e complessità.
Eppure ci sono sempre individui che non partecipano al comportamento collettivo – lo strano uccello o insetto o mammifero che rimane solo un po 'fuori sincrono con il resto; la cellula randagi o il batterio che sembra aver perso un richiamo alle armi. I ricercatori di solito prestano loro poca attenzione, liquidandoli come valori anomali insignificanti.
Ma una manciata di scienziati hanno iniziato a sospettare diversamente. Il loro sospetto è che questi individui siano segni di qualcosa di più profondo, una più ampia strategia evolutiva al lavoro. Ora, una nuova ricerca che conferma questa ipotesi ha aperto un modo molto diverso di pensare allo studio del comportamento collettivo.
Loners Ubiquitous
I primi indizi sono emersi dopo che Corina Tarnita , una biologa matematica dell'Università di Princeton, e i suoi colleghi hanno rivolto la loro attenzione allo stampo di melma cellulare Dictyostelium discoideum . Tipicamente, vive come una raccolta di amebe solitarie, con ogni cellula che mangia e si divide da sola. Ma quando minacciati di morire di fame, fino a un milione di quelle cellule possono fondersi in una torre simile a un fungo. Circa il 20% di essi crea uno stelo, sacrificando se stesso in modo che il resto possa spostarsi in cima alla struttura e formare spore, che possono durare mesi senza cibo. In definitiva, l'acqua e il vento disperdono quelle spore in ambienti nuovi e potenzialmente più ricchi di nutrienti.
Gli scienziati hanno utilizzato gli stampi di melma per studiare sperimentalmente l'emergere e il mantenimento del comportamento sociale, identificando i meccanismi che assicurano la cooperazione tra le amebe. Ma si sono sempre concentrati sulle celle aggregate. Tarnita e il suo team volevano indagare se anche le cellule che stavano dietro – i "solitari", come li chiamavano – giocavano un ruolo importante.
Come riportato negli Atti della National Academy of Sciences del 2015, quei solitari si sono rivelati perfettamente funzionali, mangiando e dividendosi regolarmente in presenza di sostanze nutritive. La loro prole potrebbe aggregarsi normalmente quando muore di fame – e si sono sempre lasciati alle spalle dei solitari. La loro presenza sembrava essere un aspetto coerente del comportamento della muffa melmosa.
Ciò ha lasciato la possibilità che i solitari fossero semplicemente gli inevitabili ritardatari che rimanevano indietro in un processo di sincronizzazione che coinvolgeva centinaia di migliaia di cellule. In quel caso, i ricercatori si aspettavano che il numero di cellule non aggreganti potesse variare casualmente da un esperimento all'altro.
Ma poiché le forme irregolari delle singole amebe le rendevano estremamente difficili da contare, ci sarebbero voluti alcuni anni in più per Tarnita e i suoi colleghi per testarlo – dopo che lo studente laureato Fernando Rossine si unì al suo laboratorio e trovò un modo per elencare con precisione le cellule . "Quello è stato un punto di svolta", ha detto Tarnita.
E ha immediatamente portato a sorprese.
Il valore strategico di rimanere separati
Uno shock fu che i solitari costituivano fino al 30% della popolazione originale, a volte superando il numero di cellule nel gambo dell'aggregato.
Ma non era tutto. I ricercatori avevano previsto che una frazione costante di cellule sarebbe rimasta indietro in ogni test. Ciò avrebbe significato che ogni cellula stava effettivamente lanciando in modo indipendente una moneta (ponderata) sull'opportunità di partecipare al comportamento collettivo. "Pensavamo totalmente che sarebbe stato un lancio della moneta", ha detto Rossine. "Eravamo convinti."
Come hanno riferito gli scienziati a marzo in PLOS Biology , invece di una frazione costante di solitari, ne hanno trovato un numero costante. "Esiste una sorta di punto prefissato che le cellule hanno memorizzato", ha affermato Thomas Gregor , biofisico di Princeton e uno dei coautori dello studio. Vari ceppi dello stampo di melma avevano diversi set point. Come diceva Tarnita, “Alcuni sembravano aggregatori straordinariamente bravi, lasciando dietro di sé circa 10.000 solitari. Altri erano così cattivi nell'aggregarsi che potevano lasciarsi alle spalle 50.000 o 100.000 solitari. "
Quella variazione naturale tra i ceppi significa che il comportamento solitario è un tratto ereditario su cui la selezione naturale può agire. Ulteriori esperimenti e simulazioni hanno mostrato che questo numero è anche influenzato da fattori ambientali, che influenzano il modo in cui i segnali chimici delle cellule si diffondono e interagiscono per facilitare – o impedire – l'aggregazione.
Questo perché quando le cellule iniziano a morire di fame, inviano segnali chimici ai loro vicini; quando un numero sufficiente di celle emette l'allarme, inizia il processo di aggregazione. Tarnita e i suoi colleghi hanno costruito un modello semplice per mostrare che i modelli di solitari osservati potrebbero essere spiegati da singole cellule che si trasformano nella loro forma attivamente aggregante a velocità diverse. Man mano che si aggregavano più cellule, i loro segnali di fame diminuivano. Ad un certo punto, "rimarranno alcune cellule che non sentono più nessuno urlare" pericolo ", perché tutti quelli che hanno urlato" pericolo "sono già andati via", ha detto Tarnita. Quelle cellule rimanenti sono i solitari.
"Ma cosa succede se l'incapacità di sincronizzare completamente può effettivamente essere sfruttata dall'evoluzione per trasformarla in una strategia interessante?" Chiese Tarnita. Poiché l'evoluzione potrebbe potenzialmente agire su quel processo, "questo potrebbe effettivamente essere davvero significativo come comportamento".
Lei e i suoi colleghi ritengono che sia una forma di copertura delle scommesse. Il corpo cellulare aggregato comporta i suoi rischi: potrebbe essere mangiato da un predatore o essere invaso da cellule "imbroglioni" che sfruttano il comportamento collettivo della muffa melmosa per il proprio guadagno egoistico. E se i nutrienti ritornano bruscamente nell'ambiente, le amebe non possono invertire il processo di aggregazione per accedere a quel cibo.
Le cellule solitarie potrebbero quindi servire come una forma di assicurazione nel caso in cui una qualsiasi di queste situazioni si manifesti. Stando fuori dal gruppo, "lasci questi semi", ha detto Tarnita, semi che potrebbero rigenerare la popolazione e le sue dinamiche multicellulari da sole.
Preservare un comportamento sociale
La copertura delle scommesse non è un nuovo concetto. L'espressione genica rumorosa può creare diversità tra organismi geneticamente identici , ad esempio, consentendo a un numero ridotto di batteri di resistere agli antibiotici o ad alcuni individui tra i pesci clonali di essere più aggressivi. Ma quelle forme di copertura delle scommesse avvengono a livello individuale.
Tarnita e il suo team sospettano che la copertura della scommessa osservata avvenga a livello del collettivo. "Ogni cellula non sta prendendo la decisione di diventare un solitario in isolamento", ha detto. "In realtà è una decisione sociale in un certo senso. È una decisione che dipende dal resto del mondo ”- dalle chiacchiere delle cellule circostanti e dalla natura fisica dell'ambiente.
Gli scienziati devono ancora dimostrare definitivamente che la muffa della melma ottiene un beneficio in termini di fitness da questa strategia di copertura delle scommesse. Ma i precedenti lavori sulla teoria dei giochi hanno dimostrato che quando gli individui possono "rinunciare" a un'attività collettiva per alcuni round, possono aiutare a mantenere la cooperazione e la diversità in una popolazione e proteggere il gruppo da individui parassiti. Il lavoro di modellazione in corso nel laboratorio di Tarnita ha suggerito qualcosa di simile.
"Se questo è ciò che sta accadendo, allora è una strategia davvero interessante – preservare non un particolare aggregato ma preservare il comportamento sociale stesso", ha detto Tarnita.
Inoltre, il fatto che "anche questa parte asociale abbia una componente sociale", ha detto Rossine, potrebbe aiutare a illuminare la transizione evolutiva degli organismi verso la multicellularità e la cooperazione sociale.
I ricercatori sperano di individuare ciò che sta accadendo a livello molecolare per consentire questa strategia negli stampi di melma. Ma sono più eccitati dalla prospettiva di studiare i solitari in altri sistemi. "L'idea teorica del solitario come qualcosa che stabilizza l'esistenza del gruppo è molto potente", ha detto Rossine. Forse potrebbe applicarsi anche agli gnu migratori o al bambù in fiore – o persino agli umani (una direzione che alcuni membri del laboratorio di Tarnita stanno ora seguendo).
Sebbene gli scienziati avvertano di non estendere troppo l'analogia senza ulteriori lavori sperimentali, Iain Couzin , direttore del Max Planck Institute of Animal Behaviour in Germania, ha notato parallelismi diretti con un altro sistema che ha studiato: le locuste che, come le muffe di melma, hanno per affrontare ambienti estremamente fluttuanti e improvvisi cambiamenti nella disponibilità di cibo. Le locuste passano anche da uno stato solitario a uno sciame aggregato quando i tempi si fanno difficili – e sembrano lasciare indietro anche i solitari. Il lavoro di Tarnita "mi ha fatto pensare a come questo tipo di processo potrebbe avvenire ad altre scale dell'organizzazione biologica", ha detto Couzin.
Ci sono altri contesti in cui il comportamento solitario potrebbe rivelarsi cruciale anche dal punto di vista evolutivo. Couzin e altri hanno scoperto, ad esempio, che alcune forme di comportamento solitario possono portare alla nascita di leader nei gruppi. "Queste differenze sono predeterminate?" Disse Couzin. O sono prodotti di "una strategia decisionale che dipende sia dall'ambiente fisico che da quello biotico intorno agli animali?"
Trovare le risposte a queste domande sarà difficile. Ma nel frattempo, il lavoro dimostra che per capire veramente come si sono evoluti i comportamenti collettivi e cooperativi e come continuano a funzionare, i ricercatori potrebbero aver bisogno di studiare gli apparenti disadattati che non partecipano.
"Abbiamo passato molto tempo a cercare di capire come sincronizzare le cose", ha detto Tarnita. “Nessuno è stato veramente interessato alle singole cellule che non sembrano fare nulla, o alle formiche pigre, o agli gnu che per qualche ragione decidono di non migrare, o alle locuste che si staccano. Non abbiamo mai prestato molta attenzione. "
Forse adesso lo siamo.
Correzione: 21 maggio 2020
Una parola tra parentesi è stata inserita nella citazione finale di Tarnita per chiarire il suo significato.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/out-of-sync-loners-may-secretly-protect-orderly-swarms-20200521/ in data Thu, 21 May 2020 15:00:19 +0000.