biologia

You are currently browsing articles tagged biologia.

Le dimensioni contano, ma la scala di più!

12 aprile 2011 in lente di barlow by Alice | 2 comments

Questo post è inserito nel contesto de Il Carnevale della Biodiversità che è ormai giunto alla terza edizione, con il grande entusiasmo dei blogger che vi partecipano.  L’argomento di questa terza edizione è Le dimensioni contano e la nostra interpretazione ha rappresentato cercare dove le dimensioni non contano, ovvero cosa rimane costante nella varietà della vita. Gli altri blog partecipanti hanno fornito altri contributi molto molto interessanti i cui riferimenti possono essere trovati qui.

Physicists tend to look for universals and invariants whereas biologists often get preoccupied with all the variantsions in nature.

-  Jim Brown,  biologo dell’Università nel Nuovo Messico

Solo con la parola meraviglia si può descrivere ciò che si prova di fronte alla varietà delle forme di vita che conosciamo, alle sue mille sfaccettature, alle forme e alle dimensioni che spaziano dai ricci di mare, alle sequoie, agli insetti e alle diatomee. Ulteriore meraviglia deriva dalla scoperta che tutti questi organismi così diversi hanno relazioni molto più strette di quanto un primo impatto possa suggerire.

In particolare, in questo post tratteremo il risultato di una collaborazione per certi aspetti curiosa tra due biologi , Jim Brown e Brian Enquist, ed un fisico, Geoffrey West, i quali alla fine degli anni ’90 hanno cercato di spiegare come diverse  caratteristiche degli organismi viventi come il numero di battiti cardiaci, le dimensioni del cervello e dei muscoli, etc  cambino al variare delle dimensioni degli organismi stessi.

Il risultato, per certi aspetti tutt’ora controverso, è una delle poche leggi della biologia, che di fronte alla complessità e alla varietà degli organismi studiati,  suggerisce una sorta di regola generale e piuttosto semplice.  Il modo migliore per arrivare a questo tipo di leggi di scala consiste nel concentrarsi su qualche esempio.

Tutti sappiamo che tendenzialmente gli animali più grandi sono dotati di un cervello di dimensioni maggiori. E’ interessante però anche chiedersi come cambino le masse medie del cervello per animali di diversa massa e vedere se esiste qualche proporzione. Il risultato di quest’analisi è il grafico riportato.

In questo grafico a dispersione con assi logaritmici sono riportate in ascissa le masse degli animali rappresentati e in ordinata quelle dei loro cervelli

Per comodità in questo tipo di studi si utilizzano quasi sempre grafici in scala logaritmica per diversi motivi. Anzitutto occorre osservare che se mantenessimo una scala lineare il grafico non sarebbe così immediato da capire perchè i punti sarebbero molto più dispersi. Inoltre siccome ad ogni “tacca” corrisponde una moltiplicazione per 10 la scala logaritmica risulta funzionale per fare confronti tra diversi animali. Infine, se utilizzassimo la scala lineare il risultato sarebbe una curva che è tendenzialmente di più difficile interpretazione. In questi esempi utilizzando la scala logaritmica otteniamo quasi sempre dei dati che possono essere interpolati con una retta i cui parametri sono molto più semplici da studiare.  Anzi, in realtà il parametro da studiare è soltanto uno: il coefficiente angolare della retta in questione. I casi che possiamo ipotizzare sono diversi:

1) possiamo pensare che la pendenza della retta sia 1. Ciò significa che se le dimensioni (in questo caso la massa) dell’organismo raddoppiano anche le dimensioni del cervello raddoppieranno.

2) in alternativa potremmo pensare che il rapporto sia di 2/3. Il motivo è sottile. Il ragionamento è di natura dimensionale: qualsiasi sia la forma dell’organismo in questione facendo variare le sue dimensioni, la sua massa, proporzionale al suo volume varierà con la terza potenza. Le dimensioni del cervello invece si potrebbe pensare che siano proporzionali alla superficie dell’organismo in questione (perchè con l’aumentare della superficie aumentano ad esempio le cellule sensibili all’interazione con l’esterno, ovvero quelle che inviano segnali da elaborare al cervello). Per tale motivo si potrebbe pensare che, aumentando con la terza potenza delle dimensioni la massa dell’organismo e con la seconda quella del cervello il coefficiente angolare della retta sia 2/3.

Questo tipo di ragionamento può essere fatto non solo per le dimensioni di qualsiasi organo, ma anche per altre grandezze, come il numero di battiti cardiaci, la durata della vita, etc… Ciò che è interessante è che per la stragrande maggior parte di questi esempi, cervello compreso, il legame con la pendenza è sempre lo stesso. Nel nostro esempio la pendenza non si rivela infatti essere 1 e nemmeno 2/3 , bensì un numero compreso tra i due pari a 3/4.

Questo numero compare anche in altri tipi di studio, in particolare è oggett della cosiddetta legge di Kleiber che mette in relazione la massa di un organismo con l’inverso del suo rate metabolico (utilizzando come sempre la scala logaritmica). Ovviamente questo tipo di legge contiene al suo interno piccole variazioni, ad esempio tra organismi a sangue caldo, organismi a sangue freddo e unicellulari, ma pur con queste piccole differenze si applica a tutti gli animali e ai batteri (e con opportune modifiche anche ai vegetali).

In questo grafico si può vedere, in scala logaritmica, la relazione tra dimensioni di un organismo e il suo tasso metabolico.

Il motivo per cui la pendenza di queste rette è di 3/4 è rimasto piuttosto oscuro fino agli studi di West, Brown ed Enquist, che hanno derivato matematicamente questo risultato.  Il loro studio prende in esame il problema fondamentale  di ogni organismo, ovvero il rifornimento di ossigeno e nutrienti. Diversi organismi lo affrontano in modo differente: un organismo unicellulare (o semplicemente molto piccolo)  non ha grosse difficoltà perchè la maggior parte delle sue cellule è a “contatto con l’esterno” e ciò è legato a un rapporto molto alto tra superficie e volume.  Per un organismo più grande il problema del trasporto è più pressante perchè la maggior parte delle cellule che necessitano di nutrimento e ossigeno si trovano lontano dalle superfici in cui avviene lo scambio.  I risultati dopo millenni di evoluzioni sono diversi:  da dei veri e propri tubi utilizzati dagli insetti al nostro sistema circolatorio, passando per le branchie dei pesci.

Il fatto che il tasso metabolico e le dimensioni di un organismo siano legati da una potenza 3/4 può essere visto da un certo punto di vista come un compromesso tra una relazione lineare (pendenza della retta 1) e la relazione superficie-volume (pendenza 2/3). Questo compromesso è dettato da due caratteristiche principali del problema “dei rifornimenti”.

Per capire il primo immaginiamo di voler “ingrandire” un piccolo mammifero: aumentando le sue dimensioni, aumenteremo il suo numero di cellule, perciò dovremo rendere più efficiente il suo sistema circolatorio. Per fare ciò dovremo, fra il resto, aumentare la superficie dei suoi vasi sanguigni, perciò ci saranno delle cellule in più che oltre ad aumentare questa superficie aumenteranno anche il volume dell’organismo in sè! Quindi una parte del volume della crescita è occupato dal sistema di rifornimento di quelle cellule che hanno determinato l’aumento. In altre parole, se raddoppiamo il numero di cellule che hanno bisogno di essere nutrite e ossigenate il volume di quella che potremmo chiamare rete di distribuzione aumenterà più del doppio perchè serviranno più collegamenti e quei collegamenti occupano un certo volume.

La rete di distribuzione di ossigeno in un gran numero di organismi pluricellulari

L’altra ipotesi che gioca un ruolo importante nel compromesso tra linearità e rapporto superficie-volume  consiste nel considerare che il metodo più efficiente di trasporto (quello associato con meno sprechi) è quello che occupa una frazione fissa del volume totale dell’organismo.  Quest’ipotesi deriva principalmente da osservazioni empiriche: nel caso dei mammiferi  questa frazione è del 6-7%.

Mettere insieme queste due ipotesi dal punto di vista matematico non è semplice, ma partendo da questi due punti (successivamente altri ricercatori hanno utilizzato ipotesi meno restrittive) si può dimostrare che il rapporto di massima efficienza è pari a 3/4 ed è ciò che effettivamente si osserva.

La potenza di questa legge penso che sia evidente: è una legge che vale per organismi molto diversi tra loro ed è nella sua essenza incredibilmente semplice. Nonostante ci siano tutt’ora alcuni critici, questa derivazione è accettata dalla maggior parte degli ecologi e continua ad affascinare per la sua eleganza e generalità.

Per approfondire:

Methabolic Theory of Ecology on Wikipedia. Dalla legge di Kleiber si è sviluppata un’intera branca dell’ecologia.

Power Laws in Biology un articolo interessante sulle leggi di potenza in biologia, descrive molti dettagli da cui si può capire l’importanza di utilizzare la scala logaritmica in questo ambito

Of Mice and Elephants: A Matter of Scale, George Johnson, un’interessante e appassionante introduzione al lavoro di West, Brown ed Enquist

The Ancestor’s Tale, Richard Dawkins, ai temi delle leggi di scala in biologia e alla legge di Kleiber Dawkins dedica ben due racconti (Il racconto dell’homo abilis e del cavolfiore)

Dimensioni e vita, McMahon- Bonner, Una bella raccolta di esempi e problemi che riguardano dimensioni e biologia, non troppo appassionante da leggere, ma molto interessante.


Tags: , , , , , , , , ,

Socialità in volo

17 novembre 2010 in epsilon by Marco | 2 comments

Le grandi masse in movimento possono spesso lasciare sorpresi.

Quello che vedete in questo video è un grandissimo stormo di uccelli che volteggiava tra la stazione di Milano centrale ed il Pirellone.

Come potete vedere, e forse intendere, si tratta di migliaia di animali che, forse spaventati da qualcosa, hanno cominciato a muoversi in sincrono nel cielo di Novembre creando una serie continua di figure.

È stato sorprendente rimanere a fissare per interi minuti questi animali ma soprattutto i milanesi che rimanevano letteralmente a naso in su per minuti interi sorpresi di quello strano spettacolo.

L’effetto dello stormo è forse lo stesso sui predatori. L’utilità infatti del muoversi in grandi gruppi ha proprio questo vantaggio: lascia interdetto, se non addirittura spaventato, chi osserva.

Per un piccolo animale muoversi da solo per il proprio habitat può esser davvero pericoloso, dietro ogni angolo può nascondersi infatti un predatore pronto a scatenare tutta la sua abilità e le sue armi, nonché milioni di anni di evoluzione serrata proprio nel settore della caccia.

Perché allora non muoversi in gruppo?

Il movimento collettivo di più animali porta infatti ad un primo vantaggio, la “diluizione del rischio individuale”. In pratica se cinquanta animali si muovono insieme ognuno di loro avrà 50 volte meno la probabilità di essere catturato da un predatore proprio perché ogni individuo può contare sulla possibilità che ad esser catturato sia un suo vicino e non lui.

In più poi c’è un altro importante fattore: il singolo individuo pur prestando la massima attenzione e circospezione può comunque controllare un minima parte dell’ambiente circostante. Se a controllare invece sono più animali allora si ha una maggiore probabilità di accorgersi prima del pericolo perché ognuno cura una piccola parte di habitat e appena scorge qualcosa scappa dando l’allarme anche agli altri che non stavano guardando dove osservava lui.

Il rischio di essere predati insomma si abbassa stando in gruppo.

C’è poi la questione movimento, quella da cui ho preso spunto per cominciare questo articolo. Quando più animali si muovono insieme lasciano in chi osserva una sensazione di sorpresa e di indecisione: su quale animale punto?

In più poi, e la cosa non è da poco, i gruppi di animali talvolta usano assumere delle forme molto compatte che all’occhio di un predatore possono apparire come minacciose. Se poi si moltiplica il pericolo che comporta la caccia per il numero di prede su cui puntare, bhé il grande numero può essere un valido effetto dissuasore. Avete mai visto uno sciame di api? Io sì e la prima cosa che ho pensato è stata “porcazza, se ci finisco dentro son guai grossi”. Lo stesso può valere per un falco pellegrino o per uno squalo.

L’insieme fa la forza quindi e difatti d’esempi ce ne sono tanti: dalle grandi migrazioni degli gnu, a quelle delle rondini, ai banchi di sardine dell’oceano, sino alle stesse manifestazioni di piazza in cui più è grande il numero dei partecipanti, maggiore sembra esser l’adesione sociale al determinato messaggio. Esempio principe son i cortei dei sindacati cui il giorno dopo corrisponde sempre la solita guerra di cifre tra organizzatori, che tendono al rialzo, e detrattori, che tendono al ribasso.

Tuttavia si potrebbe però fare un’errore pericoloso e potenzialmente letale: pensare che più il gruppo è numeroso meglio è.

In realtà anche la vita di gruppo ha i suoi inconvenienti, e non si parla di cose da poco. La prima, e per certi aspetti la peggiore, è che nel gruppo le malattie hanno un’incidenza molto maggiore.

Prendiamo ad esempio l’animale a noi più conosciuto: noi stessi.

La civiltà umana è una storia affascinante fatta di grandi scoperte, avventure ma anche terribili disastri. A questa voce rispondono senza dubbio anche le epidemie.

Peste, influenza, vaiolo, colera, tifo…sono solo alcuni dei nomi di grandi epidemie del passato e dove più hanno colpito queste? Nelle città. Pensate ad esempio ai “Promessi sposi” di Manzoni, che più o meno tutti sarete stati obbligati a leggere a scuola. La peste dove colpisce? A Milano, una delle più popolose città del periodo e perché? Un miliziano spagnolo ammalato diffonde la malattia ed in breve ecco che Milano si svuota e sui carri le salme si sostituiscono alle merci.

Maggiore è la densità di individui è più facile sarà per un parassita trovare un ospite. Nel caso poi degli insediamenti umani oltre al numero di abitanti c’è poi l’aggravante delle condizioni igieniche e della condivisione degli spazi con gli animali domestici, “fornitori ufficiali” di parassiti da qualche migliaio di anni.

Oltre a questo c’è poi un altro importante fattore negativo: nel gruppo c’è maggiore competizione per riprodursi. Più maschi vogliono dire più lotta per accaparrarsi una femmina ed assicurare al proprio DNA un futuro, per quanto nebuloso possa essere. Più lotta vuole anche dire un maggiore rischio ad esempio di ferirsi o di morire, anche se di solito non si arriva a questo punto.

Ci sono poi due altri fattori molto interessanti da considerare.

Prima di tutto 50 animali sono, di norma, più visibili di un singolo individuo. Con questo voglio dire che certamente in un gruppo si è più al sicuro ma ci si espone anche ad un numero medio di attacchi maggiore. Quindi essere solitari potrebbe poi non esser così pericoloso.

Secondo, se il gruppo è troppo numeroso si viene a creare una situazione di confusione tale da annullare l’effettivo vantaggio della vita di gruppo in termini di allarme. Pensate ad esempio al fatto che la calca è una delle principali cause di morte dei raduni umani e di solito la calca si crea a causa di un concetto confuso di allarme. Qualcosa, non si sa bene cosa, succede. Viene percepita come minaccia. Migliaia di persone si spostano e tra queste, purtroppo, alcune non sopravvivono schiacciate dalla calca.

Non so dirvi se dopo che avrete letto questo articolo guardere in modo diverso lo stormo di uccelli che vola intorno al Pirellone, ma posso dirvi che mentre io lo guardavo lo percepivo non come un’insieme confuso di animali, ma come il prodotto di centinaia di migliaia di anni di evoluzione comportamentale, e non ho potuto che rimanerne affascinato.

Tags: , , , , , , , , , ,

Frank Schätzing: “Il Quinto Giorno”

1 novembre 2010 in gluone blu by Manuel | 3 comments

Questa è una recensione (o un tentativo di recensione) del romanzo di Frank Schätzing “Il quinto giorno” appunto, edito da TEA.
Viene definito il Thriller degli oceani, e a buon diritto, visto che tutto parte da misteriosi quanto inspiegabili avvenimenti che hanno come filo conduttore, appunto, l’oceano.Dalla scoperta sulla scarpata continenatale norvegese di un brulicante tappeto di strani vermi chiamati policheti che ricoprono vasti depositi di Idrati di Metano, a improvvisi attacchi agli esseri umani ed a imbarcazioni da parte di Gruppi di Balene ed Orche, all’esplosione di astici in lussuosi ristoranti e alla conseguente diffusione di un’epidemia.
A scontrarsi con questi terribili avvenimenti ci sono Sigur Johanson, Biologo, e Tina Lund responsabile della Statoil (industria petrolifera statale norvegese) da una parte, e Leon Anawak , Biologo marino ed esperto di cetacei, Alicia Delaware, una studentessa, e Jack Greywolf, un bizzarro individuo.
Il romanzo si snoda in un crescendo di avvenimenti sempre più inspiegabili e con eventi sempre più catastrofici. I nostri protagonisti si ritroveranno a lavorare assieme, sotto la guida poco democratica dell’esercito americano, per tentare di dare una spiegazione scientifica e razionale di ciò che sta accadendo ormai in tutto il mondo, e per trovare una soluzione. Ci saranno poi opinioni decisamente diverse su come intervenire: da una parte l’esercito americano che ha come obiettivo quello di eliminare il nemico a tutti i costi, e gli scienziati dall’altra che invece vorrebbero soltanto comunicarci.
E’ un romanzo senza dubbio avvincente, nonostante la sua lunghezza non indifferente. In più è estremamente interessante dal punto di vista scientifico. Ovviamente non è un testo universitario, quindi non possiamo pretenderne lo stesso rigore, ma per essere un romanzo contiene moltissimi spunti interessanti: sulla ricerca libera, sull’esistenza di altri mondi e sull’esistenza di organismi dotati di un’intelligenza paragonabile o addirittura superiore alla nostra e sulla loro biologia, sul ruolo dell’uomo sulla terra e sul suo destino, e sulle interferenze della politica in questioni che politiche non sono.
D’altro canto, forse, arriva a sfiorare livelli di catastrofismo fin troppo elevati, ma non sono sicuro se sia un difetto o soltanto una conseguenza inevitabile.
Il quinto giorno è il giorno della creazione in cui Dio creò il mare e lo popolò dei suoi abitanti. Non vi so dire se il titolo originale contenesse un riferimento biblico, fattostà che sembra stonare un po’ con la serietà scientifica dei nostri personaggi, ma forse è una mia impressione.
Tutto sommato consiglio di leggerlo perchè merita. E’ inoltre di facile e scorrevole lettura, chiunque può apprezzarlo, anche senza essere uno scienziato, e questo secondo me è molto buono.
Se l’avete già letto e volete scrivere le vostre opinioni al riguardo, vi invito a farlo nei commenti! Alla prossima.

Tags: , , , , , , , ,

Il Nautilus: una struttura frattale naturale

4 settembre 2010 in dendrite by Alice | No comments

Il nautilo (o nautilus che dir si voglia) è un mollusco cefalopode nativo dell’ Oceano Pacifico occidentale. Nonostante appartenga alla stessa classe della piovra e del calamaro è un organismo piuttosto differente: la principale diversità è rappresentata dal fatto che “vive” all’interno di una conchiglia madreperlata con una caratteristica forma a spirale. Tale involucro è adattato all’ecosistema marino e al fatto che questo animale vive tra i 50 e i 500 m di profondità: è molto resistente alla pressione idrostatica (resiste fino a circa 800 m di profondità, oltre i quali implode) e la sua robustezza l’ha anche reso un bellissimo oggetto d’arredamento (caratteristica probabilmente non troppo apprezzata dal nautilus proprietario).

Un nautilo fotografato nel mare della Micronesia

Proprio questa sua conchiglia può interessare scienziati e curiosi per diversi motivi: il primo è che si tratta di una struttura di tipo isometrico. Cosa vuol dire? Per capirlo può essere utile studiare come si forma la conchiglia. Il cefalopode la costruisce durante la sua crescita in modo che la forma della camera rimanga sempre uguale pur aumentando di dimensioni. Durante la crescita dell’animale la conchiglia stessa cresce e periodicamente il nautilo sigilla la camera precedente. Il risultato è la serie di scomparti che la rende così particolare.

Sezione della conchiglia di un nautilo

Su questa forma particolare ci sono moltissime osservazioni da fare: ne propongo qualcuna e se ne conoscete altre l’invito è …commentate abbondantemente!

Come accennato in precedenza: è un oggetto che è costruito tramite trasformazioni
lineari (similitudini, o omotetie. Una delle definizioni di omotetia in geometria (e in algebra lineare) la descrive come una corrispondenza biunivoca che preserva le forme. Ora, senza scendere in dettagli algebrici (spazi metrici euclidei e non e altri universi interessantissimi), ciò significa soltanto che la forma è la stessa: le dimensioni in gioco vengono moltiplicate per uno stesso fattore. Non è molto diverso come meccanismo da quello che si fa quando si vuole ingrandire un’immagine: se ingrandite una foto e lo fate bene la forma del soggetto non verrà modificata: si tratta di una trasformazione isometrica. Le camere della conchiglia del nautilo sono il risultato di tante trasformazioni isometriche in sequenza in ognuna delle quali le dimensioni aumentano del 6.3% circa.

Cartesio nel 1638 si era proprio occupato di questa proprietà, ma l’aveva studiata da un altro punto di vista chiamandola spirale equiangolare (ogni retta passante per l’origine la interseca infatti producendo sempre lo stesso angolo) o logaritmica, che si distingue da quella archimedea per il fatto che le distanze fra i bracci aumentano secondo una progressione geometrica mentre in quella archimedea hanno un valore costante.

Più recentemente la proprietà di autosomiglianza ha fatto supporre che questo oggetto (naturale e geometrico) sia una struttura di tipo frattale. Un frattale può essere infatti definito come un oggetto geometrico che si ripete allo stesso modo in scale diverse: è quindi caratterizzato dall’autosomiglianza e dalla ricorsività: proprietà che il nostro mollusco costruendo la sua conchiglia rispetta.

Tuttavia il nautilo non è una struttura matematica, non è soltanto una forma: è un organismo vivente che nasce, si muove, si riproduce e muore nel mondo fisico, in particolare nelle profondità oceaniche. Anche come “piccolo sommergibile” questo animale ha molto da insegnarci: il cefalopode infatti si immerge a grandi profondità usando la propria conchiglia come cassa di immersione. Le camere sigillate (anche se non del tutto, è infatti presente un piccolo foro utilizzato per aumentare o diminuire il galleggiamento aggiungendo o diminuendo gas) sono piene di gas che mantiene una pressione simile a quella atmosferica, qualcosa di simile alle camere di immersione pressurizzate. Negli studi ingegneristici e fluidodinamici fatti per i sommergibili si è osservato che in casse fatte dello stesso materiale e della stessa forma mantengono invariato il carico di rottura a patto che lo spessore delle pareti vari proporzionalmente alle dimensioni della camera.  E se si osserva attentamente lo spessore delle diverse camere della conchiglia del nautilo si nota che lo spessore aumenta proprio in questo modo.

Fossili di ammonite

Dal punto di vista evolutivo è anche molto interessante (anche se qui dovrei lasciar scrivere chi ne sa più di me) ed è considerato un fossile vivente in quanto i fossili indicano che negli ultimi 500 milioni di anni questo animale è cambiato molto poco. I suoi adattamenti all’ambiente, si può quindi pensare, sono stati tali da renderlo un predatore adatto a sopravvivere a molti cambiamenti nell’ecosistema e nelle sue prede (prevalentemente gamberetti). (In realtà vi sono diversi tipi di nautili, ma sono tutti piuttosto simili, per la tassonomia rimando a wikipedia).

Si ringrazia hronir per la tempestiva segnalazione di un errore (grosso)

Tags: , , , , , , , , , ,

« Older entries