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pungere o non pungere? Un feromone di allarme gioca un ruolo decisivo nella disponibilità delle api a pungere e nella dimensione del loro gruppo, come hanno dimostrato gli scienziati dell'Università di Costanza
Come si suol dire, "Puoi catturare più mosche con il miele che con l'aceto". Le api, tuttavia, preferirebbero evitare di catturare qualsiasi cosa, ma il loro miele attira numerosi predatori nella colonia. Alcuni, come le mosche, sono abbastanza facili da scoraggiare. Altri predatori sono molto più grandi delle api e pronti ad accettare numerose punture di api per i dolci nutrienti. Per respingerli, le api devono unirsi in un attacco pungente collettivo.
Questa reazione difensiva è tipicamente avviata da api mellifere transitoriamente specializzate, chiamate api da guardia. Controllano i dintorni della colonia. Se rilevano un grosso animale che si avvicina alla colonia, le api guardia reagiscono pungendo l'intruso o estrudendo il loro pungiglione e aprendo le ali, a volte mentre corrono nell'alveare dove si trovano i loro compagni di nido.
"In entrambi i casi, il loro comportamento provoca il rilascio del feromone dell'allarme pungente, una complessa miscela di odori trasportata direttamente sul pungiglione", afferma il neurobiologo Morgane Nouvian.
Questo segnale chimico risveglia le api mellifere vicine e le recluta nel sito del disturbo. Lì decidono se partecipare o meno allo sforzo difensivo pungendo o molestando in altro modo il predatore. Quindi il feromone dell'allarme pungente gioca un ruolo importante nella reazione difensiva della colonia. Ma anche la dimensione del gruppo ha un ruolo?
Lo studio interdisciplinare esamina come le condizioni influenzano le risposte difensive delle singole api
Una collaborazione interdisciplinare tra i ricercatori all'inizio della carriera - la biologa Dr. Morgane Nouvian e l'informatica Junior Professor Tatjana Petrov del Center for the Advanced Study of Collective Behavior presso l'Università di Costanza - hanno sviluppato un modello e una metodologia per quantificare come la reattività all'allarme il feromone si evolve durante un evento difensivo, per una data dimensione del gruppo. I risultati sono stati pubblicati in PLOS Computational Biology il 15 settembre 2022.
"Il nostro obiettivo biologico è studiare l'effetto che le condizioni ambientali hanno sulla risposta difensiva delle singole api", afferma l'ultimo autore Morgane Nouvian. In questo lavoro, il team di ricerca si è concentrato sull'impatto delle dimensioni del gruppo, poiché studi precedenti hanno scoperto che questo fattore può influenzare le risposte aggressive negli insetti sociali.
"Affrontare questo obiettivo biologico ha aperto nuove sfide per l'informatica", ha affermato Petrov. "Capire il feedback sociale, come il comportamento collettivo si adatta ai cambiamenti nelle dimensioni del gruppo, richiede la gestione di modelli complessi e dati sperimentali limitati, e quindi l'integrazione di metodologie basate su modelli e basate sui dati."
Doppio approccio di ricerca
Gli autori hanno prima osservato il comportamento di gruppi di api di fronte a un finto predatore, un manichino rotante, e hanno quantificato la loro reazione difensiva semplicemente contando il numero di pungiglioni incorporati nel manichino al termine di una prova. Successivamente, hanno proposto un modello matematico della dinamica di gruppo, che collega in modo trasparente la scelta probabilistica di una singola ape da pungere a una determinata concentrazione di feromoni di allarme, al risultato collettivo osservato nell'esperimento.
Estrarre il comportamento degli individui dai dati a livello di gruppo è un problema interessante dal punto di vista dell'informatica a diversi livelli. "In primo luogo, i modelli di comportamenti di gruppo che enumerano ogni possibile contesto sociale di un individuo soffrono dell'esplosione combinatoria degli stati, ma anche di un numero crescente di parametri del modello", afferma Tatjana Petrov. "Inoltre, molte fonti di incertezza come scelte casuali di individui, parametri sconosciuti o dimensioni limitate del campione di dati richiedono nuovi metodi per quantificare l'incertezza."
Le api pesano nel loro contesto sociale quando prendono la decisione di pungere
La collaborazione tra informatici e neurobiologi offre a entrambe le parti una nuova prospettiva sulla ricerca. "Sul lato computazionale, abbiamo proposto una nuova metodologia per estrarre il comportamento individuale dai dati della popolazione", afferma Petrov. "A tal fine, abbiamo combinato in modo univoco metodi formali all'avanguardia e inferenza statistica".
Uno strumento software creato dagli autori integra modularmente tutte le fasi del processo di analisi. Il software, sviluppato e mantenuto dal dottorando Matej Hajnal, consente di concentrarsi sulla questione biologica, pur avendo una chiara interpretazione del modello da un lato e una quantificazione dell'incertezza dall'altro.
"Dal lato biologico, forniamo prove che le api pesano nel loro contesto sociale quando prendono la decisione di pungere", afferma Nouvian. "Arriviamo a questa evidenza eseguendo la nostra analisi su ciascuna dimensione del gruppo separatamente, quindi confrontando la curva dose-risposta con il feromone di allarme ottenuto". Gli autori mostrano che il reclutamento diventa meno efficace all'aumentare delle dimensioni del gruppo, e quindi l'inibizione sociale gioca un ruolo oltre alla comunicazione dei feromoni di allarme.
"La nostra metodologia affronta un fenomeno sociale specifico nelle api mellifere, ma può anche essere vista come una prova di concetto per l'attuale sfida di 'aprire' i modelli a scatola nera del comportamento collettivo osservato e fornire ipotesi comportamentali interpretabili a livello di individui", dice Petrov. Si aspetta che il suo approccio possa essere applicato a una serie di altri sistemi biologici. "Per quanto riguarda un'applicazione più ampia del nostro approccio, abbiamo già identificato nuove sfide computazionali, in particolare per quanto riguarda la fornitura di scalabilità e quantificazione dell'incertezza in caso, ad esempio, di grandi popolazioni, misurazioni imprecise e una più ricca capacità cognitiva degli individui". + Esplora ulteriormente
