Kilobot, gli sciami robotici programmabili

Si chiamano Kilobot e sono piccoli robot capaci di formare sciami composti da migliaia di individui (in questo caso 1.024) che si muovono grazie a motori a vibrazione, comunicano tra loro con i raggi infrarossi e possono da vita a forme bidimensionali, come quelle che si vedono nel filmato qui sotto. Imitano gli sciami, le colonie o gli stormi che esistono in natura e, grazie a un algoritmo, come loro sono capaci di formare strutture complesse.

Un altro aspetto importante di questo studio è stato  la realizzazione di robot a basso costo. Ogni Kilobot  infatti, costerebbe, secondo Mark Zastrow su Nature, circa 20 dollari. Certo, non è ancora un prezzo accessibile alla maggior parte delle persone, considerando che un solo Kilobot può fare poco, nè del resto per ora, oltre disporsi in forme definite, riescono a fare altro. Ma è un risultato importante per la robotica, perchè prelude, per esempio, a robot grandi quanto un granello di sabbia che possono autoassemblarsi e dar vita a qualsiasi forma tridimensionale, come per esempio una chiave inglese, un po' come può fare una stampante tridimensionale. Questo è ciò che pensa Michael Rubenstein, informatico della  Harvard University a Cambridge e autore principale della ricerca uscita su Science, e che lui chiama materia programmabile.

Il genoma del frumento

Con 6 copie di ogni cromosoma e 17 miliardi di paia di basi (cinque volte quelle che compongono il genoma umano) il genoma del frumento (Triticum aestivum) viene definito da Moreno Colaiacovo, giovane e brillante ricercatore, "un vero e proprio incubo per chi si occupa di genomica". Nonostante questa sua fama, però, i ricercatori (tra i quali il nostro Moreno) hanno ugualmente raggiunto un grandissimo risultato, un primo sequenziamento del genoma del frumento, tanto da meritarsi copertina, sezione speciale e lettura gratuita (previa registrazione) sulla rivista scientifica Science.

Quattro sono i lavori pubblicati su Science e disponibili gratuitamente dopo essersi registrati: A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome di  K. Mayer et al., Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat di  T. Marcussen et al., Genome interplay in the grain transcriptome of hexaploid bread wheat di  M. Pfeifer et al. e Structural and functional partitioning of bread wheat chromosome 3B di  F. Choulet et al.

Anatomia molecolare di una sinapsi in una ricostruzione video in 3D

Le sinapsi sono le strutture di comunicazione tra neuroni, in cui avviene rilascio e ricezione dei neurotrasmettitori. La parte terminale di un singolo filamento neuronale, quel piccolo rigonfiamento largo nemmeno un micrometro che contiene le vescicole sinaptiche con i neurostrasmettitori, si chiama bottone sinaptico. E' proprio quello che vediamo in questa ricostruzione tridmensionale: il bottone sinaptico di un neurone di ratto, mostrato nella pienezza della sua complessità di circa 300.000 proteine, da diversi punti di vista che evidenziano le varie strutture che lo compongono. Il video è allegato a questo lavoro uscito su Science.

Benjamin G. Wilhelm, Sunit Mandad, Sven Truckenbrodt, Katharina Kröhnert, Christina Schäfer, Burkhard Rammner, Seong Joo Koo, Gala A. Claßen, Michael Krauss, Volker Haucke, Henning Urlaub, and Silvio O. Rizzoli, Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking protein,  Science 30 May 2014: 344 (6187), 1023-1028

Una lente di ingrandimento cosmica

Il fenomeno della lente gravitazionale, previsto da Einstein nel 1915, è dovuto alla forza di gravità che agisce sulla radiazione elettromagnetica. Un corpo sufficientemente massiccio come un buco nero, un ammasso stellare o, come in questo caso, una nana bianca in un sistema binario, sono in grado di deflettere i raggi luminosi provenienti da una stella proprio come farebbe una lente, deviandoli dalla loro traiettoria originale.

L'effetto è stato osservato da Ethan Kruse e  Eric Agol della University of Washington a Seattle, grazie al telescopio spaziale Kepler della NASA, ed è quello mostrato nel filmato qui sotto, in cui una nana bianca si comporta come una lente di ingrandimento cosmica quando passa davanti alla stella compagna. Si tratta infatti di un sistema binario composto da una nana bianca e una stella simile al Sole che si trovano a 2.600 anni luce dalla Terra, nella costellazione della Lira. Spia di questo effetto lente gravitazionale era stata l'osservazione periodica (5 ore ogni 88 giorni) dell'aumento della luminosità della stella, di appena uno 0,1% ma sufficiente a destare l'interesse degli studiosi.

Ethan Kruse and Eric Agol, KOI-3278: A Self-Lensing Binary Star System, Science 18 April 2014: 344 (6181), 275-277. [DOI:10.1126/science.1251999]

Elizabeth Gibney, White dwarf acts as cosmic magnifying glass, Nature News Apr 17, 2014

video credit Nature Newsteam

Le migliori scoperte scientifiche del 2013 per la rivista Science

Come ogni fine anno si fanno dei bilanci. In campo scientifico ci prova Science con questa sua classifica delle migliori scoperte scientifiche del 2013 o dei risultati più importanti raggiunti quest'anno in campo scientifico. Al primo posto l'immunoterapia nei tumori, un'idea non nuova che però in questo 2013 ha avuto interessanti sviluppi. Per presentare le migliori scoperte del 2013 Science ha preparato questo filmato e una pagina che rimanda ai vari articoli di approfondimento sulla rivista. Su Internazionale è presente anche una traduzione in italiano della classifica.

La collisione che ha formato la Luna: un nuovo modello. Un'animazione

L'ipotesi che la Luna fosse scaturita dall'impatto di un pianeta sulla Terra primordiale era quella comunemente accettata dalla comunità scientifica anche se il fatto che il modello utilizzato per spiegare questa ipotesi non concordasse pienamente con i dati spingeva per una sua revisione. Infatti  si osservava una straordinaria somiglianza isotopica dell'ossigeno tra Terra e Luna, non adeguatamente spiegata dalla precedente teoria di una collisione con un pianeta di dimensioni simili a  quelle di Marte.

Ora, due lavori usciti contemporaneamente su Science Express, Canup 2012 e  Ćuk e Stewart 2012, forniscono un nuovo modello che sembra maggiormente conformarsi alle osservazioni.

In sostanza, questo modello prevede la collisione di due pianeti di massa 4 o 5 volte superiore a quella marziana ipotizzata in precedenza, circa la metà della Terra attuale, dal cui impatto e successiva fusione sarebbe scaturita la Terra primordiale circondata da un disco di polvere orbitante che sarebbe successivamente collassato, sotto la spinta gravitazionale, in quella che è l'attuale Luna.

Infatti, dalle simulazioni effettuate dai due gruppi, è soltanto dall'impatto di un pianeta di più grandi dimensioni di quello ipotizzato inizialmente che poteva generarsi una serie di detriti cosmici orbitanti della stessa composizione isotopica di quelli ritrovati su Terra e Luna.

I primi modelli, quelli che prevedevano l'impatto sulla Terra originaria di un pianeta simile a Marte, mostravano che l'anello di detriti orbitanti intorno alle due masse fuse appartenesse in buona parte al pianeta impattante, quello ipotizzato di massa simile a Marte, di probabile composizione isotopica diversa da quella terrestre. In questo modo non si riusciva spiegare la somiglianza chimica Terra-Luna.

La nuova ipotesi, descritta in questa straordinaria animazione, prevede, come detto, due pianeti di massa presso che simile, 4 o 5 volte quella di Marte. In questo modo la composizione chimica dell'anello di detriti rotanti dopo la fusione dei due pianeti è simile al risultato della fusione stessa, cioè la Terra primordiale, con  i detriti che poi si sarebbero condensati sotto forma di Luna.

Anche le simulazioni che prevedono un iniziale maggiore momento angolare del sistema Terra-Luna  di quello attualmente osservato, concorrono a ritenere valida l'ipotesi dell'impatto di un pianeta di massa superiore sulla Terra, con la conseguente eiezione di materiale simile al risultato della fusione. Il fatto che la velocità di rotazione iniziale, compresa tra le 2 e le 2,5 volte  quella attualmente osservata, sia poi diminuita fino a quella attuale dipenderebbe, continuano i ricercatori, dall'interazione di risonanza tra il Sole e la Luna delle origini, la cosiddetta risonanza di evezione, che avrebbe agito immediatamente dopo la formazione del nostro satellite.

Matija Ćuk, Sarah T. Stewart, Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning, Science DOI: 10.1126/science.1225542

Robin M. Canup, Forming a Moon with an Earth-Like Composition via a Giant Impact, Science DOI: 10.1126/science.1226073


videocredit nasa.gov
imagecredit astronomy-education.com

"Città batteriche" e architettura molecolare: nuove tecniche di indagine microscopica

3-D reconstruction  of the bacterial biofilm
made by cholera bacteria. (Veysel Berk image)

Che le colonie batteriche possano essere dei precursori degli organismi complessi può anche essere, intanto agli scienziati interessa conoscere come i batteri formano le loro colonie, per combatterli più efficacemente. Osservarli meglio è un modo per scoprire i loro segreti ed è quello che hanno fatto all'Università di Berkeley dove il Nobel per la Fisica Steven Chu e i suoi collaboratori [S. Chu et al. 2012] dicono di aver sviluppato una tecnica  microscopica che permette di vedere più finemente la struttura di queste colonie. Si è  notato, per esempio, che prima di cominciare a dividersi i batteri producono una proteina, una specie di colla per ancorarsi alla superficie, dopo  cominciano a replicarsi e formano una matrice extracellulare che cementa i tre diversi tipi di organizzazione batterica, cellule, ammassi di cellule e collezioni di ammassi e infine creano un guscio protettivo. 

Le cavallette spaventate danneggiano maggiormente l'ambiente

Melanpolus femur rubrum

I protagonisti di questa storia, che è anche una ricerca della Hebrew University di Gerusalemme, sono le cavallette, i batteri e la paura. La paura ritornerà in un altro post dal titolo L'odore della paura e l'intelligenza, un minestrone dove cercherò di collegare  la manifestazione odorosa della paura con l'aumento delle prestazioni cognitive. Per intanto accontentiamoci delle cavallette, che sono pur sempre delle gran belle bestiole.

Un gruppo di cavallette sottoposte al contatto  con dei ragni sviluppano una situazione di stress da paura. E come accade anche agli umani cominciano a consumare alimenti dolci per combattere lo stress.  Solo che in questo caso, le nostre care cavallette, non potendosi gingillare tra i banconi di una pasticceria finiscono per scegliere le piante a più alto contenuto di carboidrati, perchè alla fin fine lì vogliono arrivare umani e cavallette, per il noto effetto appagante/calmante (via risparmio serotonina) dei carboidrati. Ebbene, questa dieta a più alto tasso di carboidrati non è senza conseguenze: tranquilli, alle cavallette non si sviluppa il diabete però cambia il livello di azoto nei loro chitinosi corpi, nel senso che diminuisce.

Forse i neutrini non sono più veloci della luce: secondo Science c'è un possibile errore dovuto a malfunzionamento

imagecredit sienafree.it

Forse, dopo tutto, i neutrini non sono più veloci della luce, o forse si (Si veda qui e qui per sapere di cosa si tratta: i risultati dell'esperimento Opera sono basati sull'osservazione di 15 mila eventi neutrino misurati al Gran Sasso e sembrerebbero indicare che i neutrini viaggiano a una velocità 20 parti per milione sopra la velocità della luce, limite fisico della velocità). Chi lancia l'allarme è comunque degno della massima fede, trattandosi della rivista Science che questa sera segnala, con un titolo piuttosto esplicito:

BREAKING NEWS: Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results

L'errore sarebbe dovuto a un'errato collegamento del cavo in fibra ottica tra il sistema ricevitore GPS e il computer. E prosegue

 After tightening the connection and then measuring the time it takes data to travel the length of the fiber, researchers found that the data arrive 60 nanoseconds earlier than assumed. Since this time is subtracted from the overall time of flight, it appears to explain the early arrival of the neutrinos. New data, however, will be needed to confirm this hypothesis.

Dopo aver serrato il collegamento e misurato quindi il tempo necessario ai dati per percorrere la lunghezza della fibra, i ricercatori hanno scoperto che i dati arrivano 60 nanosecondi prima di quanto ipotizzato. Poichè questo tempo viene sottratto dal tempo complessivo di volo, questo sembrerebbe spiegare l'arrivo precoce dei neutrini. Saranno necessari, tuttavia, nuovi dati per confermare questa ipotesi. 

La notizia è stata confermata anche dal portavoce del Cern James Gillies con un comunicato alla Associated Press ripreso dalla Abcnews.

Chiaramente ora c'è la massima prudenza e l'invito a nuove misurazioni. Il mistero dei neutrini superluminali continua...

Anche i piccioni sanno contare

imagecredit science

Non è nuovo Damian Scarf agli studi sull'intelligenza dei piccioni. Per esempio, in questo studio [Scarf  et al. 2010 A] dimostrava, in questi animali, una capacità di pianificazione, seppure rudimentale,  nell'eseguire un compito e in quest'altro [Scarf  et al. 2010 B]  anticipava i risultati di questo studio [Scarf  et al. 2011] , mostrando come i piccioni possono apprendere un meccanismo di posizionamento ordinale.

Il test utilizzato con i piccioni è di quelli che si usano con i primati: nell'arco di un anno ha addestrato i piccioni a riconoscere la giusta sequenza di serie di tre diversi oggetti, e ha verificato la capacità di riconoscere l'esatto ordine di sequenza,  senza farsi influenzare dalla forma e dal colore degli oggetti (ovali, rettangoli e barrette, tutti di colori diversi). Seppure avessero imparato a distinguere una sequenza ordinale sulla base di tre soli elementi (mettere nella giusta sequenza, per esempio, 1 rettangolo, 2 ovali e 3 barrette), riuscivano a mettere in sequenza  2 set composti di  più elementi, come ad esempio un set con  5 ovali e uno con 7 barrette.

Risultato sorprendente, perchè permette di ipotizzare che i piccioni siano in grado di estendere le regole apprese, come fanno i primati.

"I thought it was amazing that monkeys could do this, so we should be even more impressed that pigeons can, too!" says Elizabeth Brannon, a cognitive neuroscientist at Duke University in Durham, North Carolina, and the lead author on the original rhesus monkey study. The disparate creatures may be relying on the same neural mechanism to perform the task, she speculates. "These [new] findings suggest that, despite completely different brain organization and hundreds of millions of years of evolutionary divergence, pigeons and monkeys solve this problem in a similar way," says Brannon.[1] 

E' gia stupefacente che ci riescano le scimmie, dice Elisabeth Brannon, neuroscienziato cognitivo alla Duke University, ma che lo facciano anche i piccioni lo è ancora di più. Questi studi, continua, suggeriscono come, nonostante una diversa organizzazione cerebrale e milioni di anni di divergenza evolutiva, i piccioni e le scimmie risolvono questo problema allo stesso modo. 

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Damian Scarf, Harlene Hayne, Michael Colombo, Pigeons on Par with Primates in Numerical Competence, Science 23 December 2011: , Vol. 334 no. 6063 p. 1664   

DOI: 10.1126/science.1213357

Damian Scarf, Michael Colombo, The formation and execution of sequential plans in pigeons (Columba livia), Behavioural Processes, Volume 83, Issue 2, February 2010 (A), Pages 179-182, ISSN 0376-6357, 10.1016/j.beproc.2009.12.004

Scarf, Damian, Colombo, Michael, A positional coding mechanism in pigeons after learning multiple three-item lists, Animal Cognition,   2010-07-01 (B)  653-661 Volume: 13 Issue: 4
dx.doi.org/10.1007/s10071-010-0315-z

[1] Science: No Joke: Pigeons Ace a Simple Math Test

Un modello matematico che prevede come gli animali fronteggiano i cambiamenti ambientali

Ucla image digitalmediaacademy

E' quello sviluppato dagli scienziati della Ucla (University of California, Los Angeles), pubblicato su Science [Coulson et al. 2011], ed è il risultato di anni di monitoraggio del comportamento dei lupi del Parco Nazionale di Yellowstone, utilizzando i diversi punti di vista frutto delle diverse discipline della biologia della popolazione: genetica quantitativa, ecologia delle popolazioni e genetica delle popolazioni. 

In questo modo i ricercatori hanno assunto una considerevole mole di dati riguardo le dinamiche delle popolazioni degli animali studiati, e grazie alla modellizzazione di questo database sono in grado di prevedere quali potrebbero essere i possibili sviluppi di un ecosistema in seguito alla modifica di un parametro ambientale come, per esempio, temperatura, disponibilità del cibo e così via.

Il modello, denominato IPM (integral projection model, modello di proiezione integrale), si pone come metodo universale di predizione dell'impatto sulle popolazioni animali, ma anche vegetali, di cambiamenti ambientali come, appunto, l'onnipresente temperatura, risvolto drammatico dei cambiamenti climatici indotti dall'aumento della CO2.

I lupi sono stati introdotti a Yellowstone nel 1995 per controllare la sovrappopolazione di alci e bisonti che rischiavano di compromettere seriamente l'esistenza delle foreste. Questi animali sono stati monitorati con radio collari e seguiti costantemente negli anni a seguire, anni che hanno visto diminuire le popolazioni di alci e bisonti e che hanno permesso a specie come castori e grizzly di tornare a prosperare. In questo modo sono stati assunti un'enorme quantità di dati, che ora possono essere utilizzati per creare un modello in grado di prevedere i possibili sviluppi di una popolazione animale quando si modifica una variabile.

Durante la ricerca abbiamo studiato solo pochi parametri ecologici alla volta, afferma Robert Wayne, professore di ecologia e biologia evolutiva alla Ucla, mentre ora abbiamo la possibilità di averli a disposizione  tutti quanti insieme. Una conseguenza dell'utilizzo di questo modello è la scoperta che sono i cambiamenti che si mantengono nel tempo -seppure lievi- a indurre i più grandi cambiamenti nelle popolazioni, e non quelli fluttuanti.

La modifica di un parametro come la temperatura, per esempio, induce effetti che riguardano fertilità, vitalità, durata generazionale, dimensione corporea  e dimensione della popolazione delle specie interessate.

Affermano i ricercatori che una caratteristica dei lupi di Yellowstone come il mantello grigio, si conserva nonostante il gene per il mantello nero sia dominante, grazie alla scoperta, resa possibile dalla raccolta dei dati genetici analizzati con il modello IPM, che i lupi con entrambe le versioni dei geni (quello del mantello nero e quello del mantello grigio), vivevano più a lungo e avevano più figli di quei lupi che avevano solo una  versione del gene.

L'utilità del modello è proprio in questo esempio: unire tutte le informazioni, anche quelle apparentemente non correlate, così da avere un quadro completo delle interazioni che si verificano in un ambiente complesso come un ecosistema. La sua forza è quindi la capacità di sintesi: sommare tutti i dati disponibili frutto di studi indipendenti e studiarne le correlazioni.

Tim Coulson, 

Daniel R. MacNulty, 

Daniel R. Stahler, 

Bridgett vonHoldt, 

Robert K. Wayne,

and Douglas W. Smith, 

Modeling Effects of Environmental Change on Wolf Population Dynamics, Trait Evolution, and Life History, Science 2 December 2011: 334 (6060), 1275-1278. [DOI:10.1126/science.1209441]
University of California - Los Angeles (2011, December 4). Powerful mathematical model greatly improves predictions for species facing climate change. ScienceDaily. Retrieved December 6, 2011, from http://www.sciencedaily.com­/releases/2011/12/111204144700.htm

"Una mente distratta è una mente infelice" così dice uno studio recente su Science

Un recentissimo studio condotto da Matthew  Killingsworth e Daniel  Gilbert [Killingsworth and  Gilbert 2010] e pubblicato su Science, dimostrerebbe che se uno vuole essere felice è meglio concentrarsi sul presente, per quanto sgradevole possa essere, e non fantasticare tanto.

Sognare a occhi aperti, fantasticare, ancorchè sia un'abitudine alla quale indulgiamo quasi tutti, per preparare cose future, o per ripensare a fatti passati, si rivela comunque una prassi che genera infelicità.

Ma come si riesce a stabilirlo?

Mentre per noi è abbastanza facile rispondere alla domanda: sei felice in questo momento? è un po' più complicato rispondere a quest'altra domanda: eri felice una settimana fa?

In passato sono stati utilizzati vari metodi per ricordare ai soggetti degli studi di segnare in un diario come si sentivano in quell'istante e cosa stavano facendo, ma erano piuttosto macchinosi. Invece Killingsworth e Gilbert hanno usato una tecnologia molto diffusa, soprattutto negli Stati Uniti: l'iPhone.

Hanno creato un sito internet chiamato Traccia la tua felicità e le persone che volevano e che possedevano un iPhone, potevano registrarsi lasciando qualche dato personale. Dopo di che ricevevano qualche sms al giorno in cui veniva richiesto di visitare il sito e rispondere a qualche veloce domanda sulla loro felicità in quel momento e su quello che stavano facendo e se stavano pensando a quello che facevano o ad altre cose più o meno piacevoli.

Allo studio hanno partecipato circa 5000 persone di 83 paesi del mondo, e sono stati così bravi da rispondere a circa l'83% degli sms, anche quando erano impegnati in attività molto intime.

Nell'analizzare un sottoinsieme di 2250 soggetti, c'è stata l'interessante scoperta che quasi il 47% delle volte,  queste persone stavano pensando ad altro mentre erano impegnate in qualche attività, mentre se erano in intimità con un partner questo pensare ad altro scendeva sotto il 30%.

Però, pensare ad altro, distrarsi, non è un buon stratagemma per essere felici. Si è mostrato che quanto più precoce, durante la giornata, era la distrazione tanto più infelice o scontento era l'umore delle persone nel prosieguo della giornata, facendo ipotizzare che non fosse l'infelicità  causata dall'attività che si stava svolgendo nel momento a spingerli a divagare con la mente. E' il divagare a causare la tristezza, tanto è vero che anche durante attività stupide come lavarsi, il pensare ad altro generava depressione.

Killingsworth afferma di essere sicuro che il divagare a qualcosa possa servire, qualche utilità possa anche averla, ma che basandosi su questi dati i casi in cui si verifica sono piuttosto rari.

I risultati sono piuttosto sorprendenti, afferma Lisa Barrett, psicologa e neuroscienziata, soprattutto se si pensa che da sempre si ritiene che sia la mente a rispondere agli stimoli dell'ambiente, mentre in questo studio gli stimoli sembrano quasi irrilevanti. In più, lo studio presenta dei limiti, per esempio il fatto che i possessori di iPhone non sono rappresentativi della popolazione in generale, e anche maggiori evidenze che il divagare con la mente sia la causa dell'infelicità. Questo è senz'altro un buon inizio, continua, ma occorrono ulteriori studi per stabilire questa relazione diretta tra infelicità e distrazione.

(fonte Lauren Schenkman, Daydreaming Is a Downer, Science)