Che si tratti di stormi di uccelli, banchi di pesci o colonie di insetti, osservando questi gruppi di animali la cosa più affascinante che notiamo è il modo in cui i tutti i componenti sembrino muoversi in perfetta sincronia. Tale comportamento è ancora più evidente nel momento in cui l’insieme di individui si imbatte in un ostacolo o in un predatore: tutti cambiano improvvisamente direzione, muovendosi quasi all’unisono.
Lo studio di questi comportamenti collettivi ha sempre incuriosito biologi ed evoluzionisti. Agli inizi del XX secolo si pensava che gli uccelli fossero in grado di comunicare tra loro all’interno dello stormo grazie a una sorta di “telepatia”. Anche se oggi accettiamo che non sia così, il concetto di trasmissione delle informazioni resta alla base dei comportamenti collettivi degli esseri viventi. Nel caso dei pesci, ad esempio, quando un predatore si trova nei pressi del banco, questi rilasciano una sostanza chimica detta schreckstoff (“sostanza della paura” in tedesco). Questa sostanza fa in modo che i pesci si muovano per cambiare la struttura del banco, rendendo il gruppo improvvisamente più sensibile e flessibile.
Questi comportamenti collettivi, tuttavia, non sono propri solo di organismi sufficientemente complessi come uccelli, pesci o insetti. Diversi studi, infatti, hanno recentemente osservato comportamenti collettivi anche in organismi molto più semplici. È il caso del Placozoa, considerato il più semplice organismo multicellulare del pianeta, costituito da poche migliaia di cellule disposte in soli tre strati. Pur non essendo dotato di un sistema nervoso, le cellule che lo compongono riescono a trasmettersi informazioni a vicenda, in modo che il loro comportamento sia assimilabile a quello di un banco di pesci. Questo avviene grazie a forze di attrazione tra le cellule che ne permettono l’allineamento nella stessa direzione. Altro esempio di esseri microscopici che sono in grado di muoversi all’unisono meglio di una squadra olimpionica di nuoto sincronizzato è rappresentato dall’Escherichia coli, un batterio molto diffuso e a lungo studiato dai biologi. È stato osservato come questi organismi quando fanno parte di colonie di poche unità si muovano in maniera casuale. Col crescere della colonia, tuttavia, questi batteri iniziano a spostarsi in modo più particolare, fino al momento in cui grandi gruppi formati da centinaia di individui cominciano a spostarsi seguendo una traiettoria circolare, formando delle ellissi molto più ampie della dimensione di un singolo batterio.
La tendenza dei batteri a muoversi come se fossero un unico organismo è stata a lungo studiata sotto diversi punti di vista. Uno dei fenomeni di maggiore interesse è la creazione dei biofilm. Nei biofilm (o biopellicole) grandi gruppi di batteri passano da uno stato individuale libero a uno stato collettivo molto meno mobile. Come conseguenza, i batteri organizzati in biofilm presentano caratteristiche diverse da quelle del singolo individuo: resistono agli antibiotici in modo molto più efficace rispetto alle cellule libere e possono causare infezioni più difficili da trattare.
Oltre ai biologi, tra gli scienziati più interessati a carpire i meccanismi dei comportamenti collettivi figurano fisici e matematici. Infatti il passaggio che avviene nel momento in cui gli individui passano dal muoversi tutti liberamente e in maniera casuale, all’orientarsi tutti nella stessa direzione o a essere collettivamente più rigidi e limitati nel movimento presenta delle innegabili analogie con le classiche transizioni di fase, come i passaggi di stato o la magnetizzazione. In quest’ottica è nato lo studio della “materia attiva”, cioè la rappresentazione di esseri viventi (uccelli, pesci, batteri, eccetera) che si comportano in maniera riconducibile a particelle inanimate.
Uno dei modelli pionieristici in questo senso è stato quello proposto dal fisico Tamás Vicsek nel 1995. L’idea di Vicsek partiva dal fatto che la direzione verso cui si muove (vola, nuota, striscia…) un individuo dipende in qualche modo dalla direzione media di tutti quelli che lo circondano. Più si muovono tutti in maniera randomica, più per l’individuo sarà difficile seguire una direzione precisa e continuerà anche lui a muoversi a caso. D’altra parte, se gli individui che gli stanno vicino tendono a muoversi mediamente verso una certa direzione, anche lui tenderà a fare lo stesso. Nella dinamica gioca un ruolo fondamentale la densità, cioè quanto è gremito il gruppo di individui. Più la densità è alta, più saranno i componenti che circondano un singolo, e di conseguenza più facile sarà per questo “allinearsi” alla direzione del gruppo.
Dal ‘95 molti studi hanno verificato come il modello di Vicsek potesse essere usato per descrivere il movimento di colonie di batteri o altri aggregati di animali. D’altra parte, sono state proposte innumerevoli varianti del modello, per esempio introducendo fattori come “forze esterne” a rappresentare l’approcciarsi di un predatore. Vale poi la pena ricordare che non solo in biologia si possono osservare affascinanti fenomeni di sincronizzazione. Anche oggetti inanimati, come dei metronomi, possono passare dal battere ognuno per conto proprio a scandire il tempo tutti all’unisono, come descritto dal modello di Kuramoto.
In conclusione lo studio dei comportamenti collettivi degli esseri viventi rappresenta un valido strumento per capire gli effetti di una rapida ed efficace strategia di comunicazione all’interno di un gruppo.
Attività
Preparare dei bigliettini di carta quanti sono gli studenti della classe: i bigliettini all’interno dovranno essere tutti bianchi, tranne uno, in cui ci sarà scritto “Tu sei il capobranco, devi evitare il predatore rappresentato da ______”. Il predatore sarà rappresentato da un oggetto della stanza a scelta del docente. Far pescare ad ogni alunno un biglietto.
L’identità del capobranco deve restare nascosta. Iniziare il gioco facendo muovere gli alunni in modo casuale nello spazio. Quando l’insegnante dà il via, il capobranco comincia a evitare il predatore. Osservare in quanto tempo anche tutti gli altri alunni evitano il predatore.
Ripetere l’esperimento cambiando il numero di alunni coinvolti e modificando il “raggio d’influenza”, ad esempio facendo camminare gli alunni guardando solo in basso o in alto.