Cosa possono insegnarci le formiche e le api sul contenimento della malattia?

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Questa storia originariamente è apparso su Undark e fa parte del Climate Desk collaborazione.

Dato che infetta le colonie di formiche con agenti patogeni mortali e poi studia il modo in cui rispondono, si potrebbe dire che Nathalie Stroeymeyt, docente senior presso la scuola di scienze biologiche dell'Università di Bristol nel Regno Unito, è specializzata in pandemie in miniatura. I tavoli le si rivolsero, tuttavia, a marzo: Covid – 19 attraversò la Gran Bretagna e Stroeymeyt fu chiusa dal suo laboratorio di epidemiologia delle formiche. I computer ad alte prestazioni che utilizza per tenere traccia del comportamento delle formiche restavano inattivi e solo un tecnico di laboratorio – ritenuto un lavoratore essenziale – era autorizzato a curare le centinaia di colonie di formiche da giardino nere, ognuna ospitata nella sua vasca di plastica.

Con i governi di tutto il mondo che ora incoraggiano le persone a mantenere uno spazio reciproco per prevenire la diffusione del virus, Stroeymeyt ha tracciato parallelismi con i suoi soggetti insetto. L'attuale guida sul distanziamento sociale “suonava familiare”, disse Stroeymeyt, “perché l'ho visto tra le formiche”.

Tali intuizioni sono al centro di un fiorente campo di ricerche sugli insetti che alcuni scienziati sostengono potrebbero aiutare gli umani a immaginare una società più resistente alla pandemia. Come per gli umani, la lotta alle malattie può essere un ordine elevato per gli insetti sociali, una categoria che comprende termiti, formiche e molte specie di api e vespe. Gli addetti agli insetti scambiano fluidi e condividono alloggi ravvicinati. Nella maggior parte delle specie, vi è un intenso traffico in entrata e in uscita dal nido. Alcune colonie di formiche sono popolose come New York City.

Gli insetti “vivono in ambienti molto ristretti dove c'è un sacco di carico microbico”, ha detto Rebeca Rosengaus, un'ecologa comportamentale che studia il comportamento degli insetti sociali alla Northeastern University di Boston. Molti di quei microbi, ha aggiunto, sono patogeni che potrebbero spazzare la colonia come una peste. Ciò accade raramente, dicono i ricercatori di insetti sociali, e vaste colonie di tali specie sono in qualche modo in grado di limitare la diffusione dei contagi.

Negli ultimi tre decenni , i ricercatori hanno iniziato a esplorare il modo in cui ciò potrebbe accadere, mappando la miriade di modi in cui le colonie evitano di soccombere alle malattie. Alcuni di questi metodi possono sembrare alieni. Altri, incluso il semplice comportamento simile all'immunizzazione e le forme di allontanamento sociale degli insetti, possono sembrare stranamente familiari. Complessivamente, formano una sorta di epidemiologia parallela che potrebbe fornire spunti per le società umane che combattono i loro patogeni, anche se, finora, gli epidemiologi umani non prestano molta attenzione al campo.

Tuttavia, queste intuizioni sono ciò che Rosengaus e alcuni altri ricercatori stanno esplorando. “Come è possibile”, chiede Rosengaus, “che un individuo che viene esposto a un fungo o un batterio o un virus, o qualunque agente patogeno esista, ritorni nella colonia e non infetti tutti nella colonia?”

Mentre gli insetti sociali sono stati oggetto di un intenso esame scientifico per più di un secolo, la minaccia di agenti patogeni e altri parassiti, dicono i ricercatori, è stata a lungo trascurata. “La tradizionale ricerca sugli insetti sociali ha ignorato i parassiti per molto tempo”, ha affermato Paul Schmid-Hempel, ecologo sperimentale presso l'Università di ricerca pubblica svizzera ETH di Zurigo. Biologo E.O. Il classico di Wilson 1098 L'indagine sul campo, “The Insect Societies”, non elenca nemmeno “malattia”, “agente patogeno”, “batteri” o “virus” nel suo indice.

Come ricercatore post-dottorato a Oxford nel 1980 s, Schmid-Hempel si rese conto che le api che studiava erano costantemente infestate da parassiti. Cominciò a formulare domande che avrebbero aiutato a lanciare un piccolo campo: cosa sarebbe successo se i patogeni non fossero un fastidio accidentale per le colonie, ma una profonda minaccia che ha modellato l'evoluzione stessa delle loro società? Fino a che punto cose come colonie di formiche e alveari erano in realtà minuscoli stati epidemici?

Gli osservatori di insetti sociali sanno da tempo che gli animali mantengono le loro case meticolosamente pulite. I lavoratori depositano rifiuti e corpi morti al di fuori dei nidi. Gli insetti sociali si governano a vicenda, e spesso se stessi, frequentemente. Ma ricerche recenti hanno documentato altri adattamenti che combattono anche le infezioni. Alcune formiche, ad esempio, raccolgono resine di alberi antimicrobici e le diffondono attorno ai loro nidi, un processo che i ricercatori hanno descritto come “ farmaci collettivi .” Le specie di insetti sociali secernono anche una farmacopea di composti che uccidono i microbi, che applicano ai loro corpi e superfici.

Anche la cura sembra avere benefici inaspettati. Mentre alcune formiche si puliscono, trasferiscono piccole quantità di agenti patogeni ai loro compagni di nido. Quelle mini-esposizioni, la biologa Sylvia Cremer scrive in un recente documento , causa “non letale, infezioni di basso livello “che” innescano un'immunizzazione protettiva “. Paragona il processo alla variolazione , un metodo un tempo comune per immunizzare l'uomo dal vaiolo esponendoli a una piccola quantità di materiale di crosta fluida o secca da una persona malata. La ricerca di Rosengaus ha documentato un simile comportamento di immunizzazione sociale tra le termiti di legno umido.

Anche lei e i suoi colleghi hanno trovato prove che, quando alcuni membri di una colonia di formiche carpentiere nera incontrano batteri patogeni, sono in grado di sviluppare una risposta immunitaria e condividerla con i loro compagni di nido, rendendo l'intera colonia più resistente. Le formiche che sono state esposte sembrano passare lungo i composti del sistema immunitario, bocca a bocca, prima dell'infezione, preparando i corpi dei loro compagni di nido per la possibilità di esposizione. Rosengaus paragona questo adattamento a un mondo in cui un essere umano potrebbe baciare il francese qualcuno che ha ricevuto un vaccino e quindi ottenere i benefici di quel vaccino indirettamente.

Questo tipo di scoperte mette in discussione le ipotesi secondo cui la vita sociale, creando condizioni mature per la diffusione delle malattie, costituisce automaticamente un rischio per gli individui. “Sia il rischio che l'attenuazione del rischio derivano dalla stessa socialità”, afferma Nina Fefferman, professore di ecologia e biologia evolutiva all'Università del Tennessee, Knoxville, che studia la trasmissione della malattia. Altre persone potrebbero ammalarci. Ma possono anche offrire la cura, il cibo e la conoscenza che ci salva la vita. “Tutto è racchiuso in questo insieme molto complicato di vincoli e obiettivi”, ha detto Fefferman.

Per i ricercatori di insetti sociali, una domanda elusiva è se, come i dipartimenti di salute pubblica umana che impongono quarantine di coronavirus alle famiglie e limiti di occupazione ai ristoranti, le società di insetti sociali in realtà cambiano le loro interazioni per rendere più difficile la diffusione delle malattie, un fenomeno a volte chiamato immunità organizzativa. La maggior parte delle colonie di insetti sociali ha sistemi complessi per dividere i compiti. Alcuni operai possono finire per prendersi cura della regina, nutrire le larve, stare in guardia o cercare cibo. Decenni di ricerca hanno analizzato quella divisione del lavoro in termini di efficienza dei compiti. Ma, a partire dall'inizio 1971 s, modelli matematici hanno suggerito che quelle divisioni sociali potrebbero anche rallentare le infezioni. Interagendo solo con alcuni lavoratori designati, ad esempio, una regina potrebbe avere meno probabilità di ammalarsi.

Testare alcune di quelle teorie su vere colonie , dicono i ricercatori, è stato difficile. Ma l'avvento dei sistemi automatici di localizzazione degli insetti ha aperto nuove possibilità, consentendo a ricercatori come Stroeymeyt di costruire immagini dettagliate di chi interagisce con chi all'interno di una colonia di formiche, per esempio.

Per mappare un social network di formiche, Stroeymeyt e i suoi colleghi ricercatori incollano minuscoli tag di codice QR, alcuni più piccoli di un millimetro quadrato, ai torace delle formiche. Una volta che ogni formica in una colonia è stata taggata, Stroeymeyt stima di poter sellare personalmente 0466 formiche con codici QR in un 12-ora giorno: la colonia viene collocata in una scatola di osservazione. Le telecamere in testa leggono i codici QR e registrano la posizione di ciascuna formica due volte al secondo, per ore e ore. Il processo genera dati su ogni singolo contatto tra le formiche nella colonia: centinaia di migliaia di punti dati che, con computer ad alta potenza, possono essere risolti in un quadro dettagliato del social network della colonia di formiche.

Nel 2014, Stroeymeyt e i suoi colleghi hanno mappato le reti di 19 colonie, calcolando le interazioni in ciascuna di esse nel corso di pochi giorni. Quelle reti, hanno mostrato, non sono emerse da interazioni casuali di formiche. Le loro interazioni erano più compartimentate. Alcune formiche avevano più contatti tra loro che con altri membri della colonia.

Almeno in teoria, quel tipo di reti modulari da sole potrebbe rallentare il diffusione dell'infezione nella colonia. Un virus umano, dopo tutto, si diffonde più rapidamente attraverso una vivace festa di 100 le persone di quanto non faccia tra 13 gruppi isolati di cinque amici ciascuno, che per lo più si incontrano.

Ma la svolta più grande è arrivata dopo che la squadra ha esposto le persone in 11 colonie con il micidiale fungo infettante da formica Metarhizium brunneum, con l'altro 07 che funge da controllo . Una volta che le formiche hanno rilevato i patogeni, quelle reti sono cambiate: la loro modularità è aumentata e diversi gruppi di attività nella colonia hanno interagito meno di prima. Le falciatrici esposte al fungo hanno mostrato meno contatti. Anche le formiche non esposte hanno iniziato a interagire in modo diverso, mantenendo una proporzione più elevata dei loro contatti a piccoli cerchi di compagni di nido. Questo processo, mi ha detto Stroeymeyt, non è dissimile dal distanziamento sociale. “È un modo molto economico e facile per proteggere la colonia da un'epidemia”, ha detto.

Tale ricerca, ovviamente, ha solo di recente stato reso possibile. Come sottolinea Stroeymeyt, non è chiaro se, in assenza di agenti patogeni, i social network modulari delle formiche si siano evoluti per rispondere alla minaccia di infezione o se la soppressione dei patogeni sia solo un utile effetto collaterale di schemi che si sono evoluti per altri motivi. E mentre il particolare meccanismo documentato nella ricerca ha avuto successo nel rallentare la diffusione del patogeno, potrebbe essere solo uno dei numeri disponibili per la colonia. Inoltre, un recente articolo ha sollevato dubbi sul fatto che le condizioni di laboratorio, usando agenti patogeni come M. brunneum, facciano necessariamente molto per riflettere le condizioni di malattia che le colonie combattono in natura.

Tuttavia, le scoperte di Stroeymeyt e dei suoi colleghi sono state ampiamente discusse tra i ricercatori di insetti. E, come lei sottolinea, l'allontanamento delle formiche suggerirebbe che gli umani non sono soli nel riordinare le nostre società di fronte alle epidemie.

Se non altro, Stroeymeyt ha affermato che il successo delle formiche può offrire qualche conferma e ispirazione agli umani che lottano per una pandemia. I dipartimenti di sanità pubblica umana hanno solo un paio di secoli, mentre le società delle formiche si sono evolute per milioni di anni. “È molto raro trovare una colonia che collassa sotto il peso di un agente patogeno”, ha detto Stroeymeyt. “Sappiamo che i loro meccanismi sono estremamente efficaci.”

Mentre gli epidemiologi degli insetti studiano il lavoro degli epidemiologi umani, il contrario sembra essere meno comune. In teoria, affermano i ricercatori, gli insetti sociali potrebbero essere un sistema modello ideale: una specie di società in miniatura, con pochi vincoli etici, in cui esplorare come la malattia viaggia attraverso le reti. Ma Schmid-Hempel sottolinea che è difficile raccogliere informazioni dettagliate sulla salute degli insetti. “Negli esseri umani, hai molti dati davvero eccezionali, rispetto a quelli che abbiamo negli insetti sociali”, ha detto. Un giorno i ricercatori potrebbero trovare utile testare i principi epidemiologici nelle società degli insetti. “Sono sicuro che arriverà”, ha detto Schmid-Hempel. “Ma non è ancora a quel punto.”

Uno dei pochi ricercatori a colmare il divario è Fefferman, ricercatore dell'Università del Tennessee. Formatosi in matematica applicata, Fefferman studia come le infezioni si muovono attraverso le reti: reti di insetti, reti umane, reti di computer e persino reti nei giochi online. La sua ricerca è stata pubblicata su riviste di entomologia ed epidemiologia. Un documento in cui ha scritto 2000 su un'epidemia virtuale in World of Warcraft ha suscitato grande attenzione da parte degli esperti di salute pubblica.

La ricerca di Fefferman sull'epidemiologia umana, ha detto, attinge dal suo studio sugli insetti. “Puoi considerare le colonie di insetti sociali come città di successo”, ha detto. “E poi puoi dire, beh, quali sono le strategie che gli insetti sociali usano, sia dal punto di vista comportamentale sia da come li evolvono, da cui possiamo prendere in prestito?”

Ad esempio, ha allevato il cannibalismo delle termiti. Se esposte a un grave focolaio, alcune termiti mangiano immediatamente i giovani della colonia. In questo modo, sostiene Fefferman, li aiuta a eliminare un pool di individui “altamente sensibili” che potrebbero servire da serbatoio di infezione, permettendo all'epidemia di persistere nel nido.

È improbabile che le società umane adottino il cannibalismo come strategia di sanità pubblica. Ma il principio di base, sostiene Fefferman, può essere rilevante durante la pandemia di coronavirus. “Se pensiamo di astrarre questo”, ha detto, “quella è la chiusura delle scuole”. La lezione dalle termiti potrebbe essere “separare i bambini. I bambini saranno una grande pozza di trasmissione che infetterà tutti. Non farlo. “

Questo tipo di pensiero ha portato Fefferman a costruire modelli che mirano a trovare il modo più efficace di distribuire medicinali nel nel mezzo di un'epidemia di influenza. Un nuovo documento a cui sta lavorando, su come le aziende possono strutturare le proprie forze di lavoro per prepararsi a pandemie e altri disastri, si ispira al modello basato sulla coorte che molte colonie di insetti usano per distribuire compiti, anche se non è probabile che pubblicizzerebbe facilmente quando viene pubblicato l'ultimo documento.

In effetti, Fefferman ha detto che in genere non cita l'influenza dell'entomologia sul suo lavoro, almeno quando parla con il pubblico esperti di salute.

“Non mi sarei mai imbattuto in un incontro di salute pubblica ed essere tipo” Ragazzi, BUG! “”, ha detto. “Ma forse se lo facessi, sarebbe fantastico.”


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