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Modellizzare la guerra tra formiche attraverso un approcchio "chimico"

di Alisa Santarlasci, Gianluca Martelloni, Giacomo Santini e Franco Bagnoli

Introduzione

Anche le formiche, nel loro piccolo, si arrabbiano, ma forse non ci rendiamo conto che la guerra tra formiche è spesso spietata e totale. Senza considerare le specie schiaviste e predatrici, le formiche "normali" cercano di mantenere il controllo sul loro territorio, e anche due formicai della stessa specie si combattono vigorosamente. Questo non è vero nel caso delle specie invasive, che anzi spesso coabitano felicemente e, pur essendo piccole, riescono a vincere gli scontri con quelle più grosse sfruttando la cooperazione. Questo è un grosso problema ecologico.

Le formiche sono capaci di comportamenti complessi, anche se individualmente si comportano in maniera molto "meccanica". Si parla spesso a questo riguardo di "intelligenza collettiva", comune del resto a tutti gli insetti sociali.

Per mettere in evidenza quanta parte gioca l'intelligenza e quanta un comportamento meccanico in una guerra tra formiche, abbiamo compiuto delle osservazioni quantitative dei combattimenti tra alcune specie autoctone ed altre invasive, e abbiamo "interpretato" le varie fasi della lotta (per esempio i gruppi che le formiche formano quando combattono) alla stregua di reazioni chimiche (quindi non intelligenti). La speranza è quella di riuscire a "distillare" i comportamenti meccanici e mettere in evidenza quelli collettivi ed intelligenti. Ovviamente il procedimento è molto lungo: per ora ci siamo limitati a studiare quello che emerge dai comportamenti collettivi. modellizzando le formiche come "automi" dotati di tanta intelligenza quanto gli atomi e le molecole! Già così si spiegano molti aspetti della guerra tra formiche. Ovviamente bisognerebbe continuare inserendo altri aspetti per ora trascurati (tipo l'effetto della fatica e anche aspetti più cognitivi come la vicinanza/lontananza dal nido).

Ecco qui una ripresa di un incontro.

Analisi dati

Dal filmato si estraggono i "tempi" nei quali appaiono o scompaiono i gruppi di formiche (es. AB, ABB, ABBB, ecc.) che vengono considerati analoghi a "specie chimiche".

Il modello chimico

Possiamo scrivere le equazioni per le reazioni chimiche che osserviamo

da cui si ottiene un sistema di equazioni "chimiche"

Si può confrontare il modello con i dati sperimentali per ottenere il valore dei parametri:

La curva rossa sono i dati sperimentali dell'abbondaza delle formiche di tipo A, la curva nera è il modello ad equazioni chimiche.

La curva rossa sono i dati sperimentali dell'abbondaza delle formiche di tipo B, la curva nera è il modello ad equazioni chimiche.

Infine, per studiare le fluttuazioni, abbiamo usato un modello "standard" in chimica (modello di Gillespie) che genera gli eventi in maniera stocastica (così possiamo generare molti "incontri" velocemente e senza danno per le formiche):

Le curve blu sono i dati simulati per molte realizzazioni dell'abbondaza delle formiche di tipo A, la curva nera è il modello ad equazioni chimiche.

Le curve blu sono i dati simulati per molte realizzazioni dell'abbondaza delle formiche di tipo B, la curva nera è il modello ad equazioni chimiche.

Il modello ad agenti

Infine abbiamo sviluppato un modello spaziale basato sull'approccio di Gillespie e uno ad agenti (qui di seguito) che cerca di riprodurre fedelmente le osservazioni sperimentali

Si può giocare con il modello scaricando il file allegato e istallando NetLogo da http://ccl.northwestern.edu/netlogo/