Come fanno le api a resistere al caldo

Se hai mai camminato davanti a un nido di api in una calda giornata estiva, probabilmente sei stato troppo concentrato a evitare di essere punto, piuttosto che fermarti a chiederti come tutte quelle api stiano bene. Non preoccuparti, gli scienziati di Harvard hanno sfidato i pungiglioni  per rispondere a questa domanda per te.
Quando fa caldo nel nido, le api usano le ali come ventole per attirare l’aria calda e consentire all’aria più fredda di entrare (Video per gentile concessione di Jacob Peters / Harvard SEAS)
Le api  vivono in cavità grandi e congestionate, spesso nelle cavità degli alberi con aperture strette. Quando fa caldo nel nido, un gruppo di api  si posizionano davanti l’ingresso e usano le ali come ventole per attirare l’aria calda e consentire all’aria più fredda di entrare. La domanda è: come si auto-organizzano le api in queste unità di ventilazione viventi ?

I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering e Applied Sciences (SEAS) e il Dipartimento di Biologia Organismica ed Evolutiva (OEB) hanno sviluppato un quadro che spiega come le api usano i segnali ambientali per raggruppare collettivamente e ventilare continuamente l’alveare.

“Nel corso dei millenni, gli insetti sociali come le api si sono evoluti per sfruttare  i flussi e le forze e risolvere collettivamente problemi fisiologici come la stabilizzazione meccanica, la termoregolazione e la ventilazione su scale molto più grandi dell’individuo”, ha detto L Mahadevan, de Valpine Professore di Matematica Applicata, Fisica, Biologia Organismica ed Evolutiva e autore senior dello studio. “Una combinazione di misurazioni e modelli computazionali quantifica e spiega come le api a ventaglio creano un modello di flusso su larga scala emergente per ventilare i loro nidi”.

“Abbiamo dimostrato che le api non hanno bisogno di un sofisticato sistema di reclutamento o comunicazione per mantenere i loro nidi freschi”, ha detto Jacob Peters, borsista postdottorato in SEAS e OEB, e primo autore dell’articolo. “Invece la risposta fanning delle singole api alle variazioni di temperatura, e la fisica del flusso dei fluidi porta alla loro organizzazione spaziale collettiva, che capita di portare a una soluzione di raffreddamento efficiente.”

Il documento è pubblicato sul Journal of the Royal Society Interface.

Gli esperimenti sono iniziati nell’estate del 2017. Nel corso di diverse settimane, Peters, Mahadevan ed ex borsista postdottorato al SEAS Orit Peleg hanno monitorato un gruppo di alveari artificiali nella Concord Field Station dell’Università di Harvard.

Il team di ricerca ha misurato la temperatura, il flusso d’aria in entrata e in uscita dal nido e la posizione e la densità delle api che si espandono all’ingresso del nido. Hanno osservato che piuttosto che diffondersi attraverso l’intero ingresso del nido, le api si raggruppavano nelle aree più calde e mantenevano quelle aree, che avevano il più alto deflusso d’aria, separate dalle aree più fredde con il più alto afflusso d’aria. È importante sottolineare che hanno scoperto che le diverse api avevano soglie di temperatura diverse oltre le quali avrebbero iniziato a ventare, così che collettivamente erano più bravi a rispondere alle variazioni di temperatura.
Per determinare come le api si organizzano per rinfrescare i loro nidi, i ricercatori hanno misurato la temperatura, il flusso d’aria dentro e fuori il nido e la posizione e la densità delle api che si aprono a ventaglio all’ingresso del nido. (Immagine per gentile concessione di Jacob Peters / Harvard SEAS)
Nel modellare il sistema, i ricercatori hanno scoperto che tutti questi comportamenti sono legati alla fisica ambientale del nido. L’apertura verso l’esterno consente alle api di rilevare la temperatura del nido a monte: diverse soglie di temperatura consentono una ventilazione continua e temperature dell’alveare più stabili e, a causa della fisica dell’attrito e del flusso, il raggruppamento per separare l’afflusso dal deflusso consente all’aria più fredda di entrare nel nido a causa della fisica dell’attrito e del flusso.

“Il nostro studio dimostra come sfruttare le dinamiche dell’ambiente fisico consente l’organizzazione su larga scala di un processo fisiologico”, ha detto Peleg, co-autore del paper ed è ora Assistant Professor presso l’Università del Colorado Boulder.

“Sebbene si tratti di una storia incentrata sulla fisica, le variazioni biologiche con radici nella genetica e nell’evoluzione probabilmente giocano un ruolo importante affinché questo sistema funzioni”, ha affermato Peters. “La nostra teoria suggerisce che non solo la variabilità individuale nella soglia di temperatura porta ad una temperatura dell’alveare più stabile, ma anche questa diversità è fondamentale per la stabilità del patterning del comportamento a ventaglio che è richiesto per una ventilazione efficiente.”

“In tutto, dai grandi sistemi HVAC ai fan che raffreddano i nostri computer, i sistemi auto-organizzati, bioispirati, potrebbero essere in grado di adattarsi e rispondere a specifiche richieste meglio dei sistemi attuali”, ha affermato Peters.

“Più in generale, il nostro studio evidenzia, ancora una volta, la necessità di considerare sia gli organismi biologici che i loro ambienti fisici per comprendere la ricchezza dell’ecofisiologia collettiva, un segno distintivo della vita stessa”, ha affermato Mahadevan.

Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation.

Di Leah Burrows