Il rilevamento dinamico dei patogeni e il feedback sociale modellano l’igiene collettiva nelle formiche

Dec 11, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3232 (2023) Citare questo articolo

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La difesa cooperativa dalla malattia emerge come comportamento collettivo a livello di gruppo, ma il modo in cui i membri del gruppo prendono le decisioni individuali sottostanti è poco compreso. Utilizzando le formiche da giardino e gli agenti patogeni fungini come modello sperimentale, deriviamo le regole che governano le scelte individuali di toelettatura delle formiche e mostriamo come producono igiene a livello di colonia. L’analisi comportamentale risolta nel tempo, la quantificazione dei patogeni e la modellazione probabilistica rivelano che le formiche aumentano la pulizia e prendono di mira preferenzialmente individui altamente infettivi quando percepiscono un elevato carico di agenti patogeni, ma sopprimono temporaneamente la pulizia dopo essere state curate dai compagni di nido. Le formiche reagiscono quindi sia all'infettività degli altri sia al feedback sociale che ricevono sulla propria contagiosità. Sebbene dedotte esclusivamente da decisioni momentanee delle formiche, queste regole comportamentali prevedono quantitativamente dinamiche sperimentali di un'ora e si combinano sinergicamente in un'efficiente rimozione dei patogeni a livello di colonia. Le nostre analisi mostrano che decisioni individuali rumorose basate solo su informazioni locali, incomplete, ma aggiornate dinamicamente sulla minaccia degli agenti patogeni e sul feedback sociale, possono portare a una potente difesa collettiva contro le malattie.

L’azione collettiva ha spesso più successo dell’azione solitaria. Questo perché semplici decisioni individuali basate su informazioni locali, rumorose o incomplete possono interagire attraverso il feedback per generare comportamenti collettivi complessi ed efficienti, sia in sistemi di geni interagenti1, neuroni2,3, cellule in un tessuto4, tra organismi unicellulari5, o in collettivi di animali6,7,8,9,10,11. Gli insetti sociali come le api e le vespe sociali, le formiche e le termiti – dove la selezione agisce sulle prestazioni a livello di colonia – sono un esempio paradigmatico dell’emergere di comportamenti collettivi auto-organizzati12. Le loro colonie padroneggiano il trasporto collettivo, la raccolta del cibo, nonché la scelta e l'architettura del nido13,14,15,16,17,18,19. Inoltre, gli insetti sociali svolgono una difesa cooperativa dalle malattie che dà origine alla protezione a livello di colonia, o immunità sociale20. Non solo gli insetti sociali riducono la trasmissione delle malattie modulando le loro reti di interazione sociale21,22, ma riducono anche il rischio complessivo di malattie mediante comportamenti sanitari attivi come la rimozione di particelle infettive dai membri esposti della colonia23,24,25,26. Sebbene il repertorio igienico degli insetti sociali sia stato descritto in precedenza20,27,28,29,30,31, le regole decisionali quantitative alla base di questi comportamenti e il modo in cui si combinano nella protezione dalle malattie a livello di colonia rimangono in gran parte inesplorate.

Per comprendere il processo decisionale individuale che costituisce la base dell’igiene collettiva emergente, abbiamo messo le formiche in una situazione sperimentale in cui potevano scegliere come distribuire le loro cure sanitarie tra due membri del gruppo che trasportavano carichi diversi di un agente patogeno fungino infettivo. L'osservazione di tutti gli eventi di pulizia individuale e reciproca in modo risolto nel tempo e la quantificazione del carico di spore di ciascuna formica dopo la fine dell'esperimento ci hanno permesso di dedurre - per ogni finestra temporale durante l'esperimento - il carico di spore di entrambe le formiche trattate. Sulla base di queste informazioni abbiamo potuto determinare, per ogni evento di strigliatura effettuato, se la formica strigliata era quella con il carico di spore di corrente più alto o più basso, il che ha rivelato che le formiche strigliano l'individuo in modo più proporzionale con la corrente più alta – ma non necessariamente più alta. – carico di spore. Abbiamo integrato il nostro lavoro sperimentale con un modello probabilistico32 per dedurre regole decisionali universali e fattori nella recente esperienza della formica che determinano le loro decisioni individuali di cura. Questo approccio congiunto mostra che l'attività di pulizia di una formica dipende dalla minaccia patogena percepita che emerge dai membri della colonia, ma anche dalla sensibilità della formica ai segnali sociali forniti dai membri della colonia sulla propria infettività. In particolare, una singola formica striglia di più le altre formiche, quante più spore ha percepito su altre nel recente passato, ma si impegna meno nella strigliatura dopo essere stata strigliata lei stessa. Poiché la frequenza con cui viene curata è determinata dal carico di spore della formica, questo effetto soppressivo è quindi più forte negli individui che trasportano il carico di spore più elevato, in modo che il feedback sociale impedisca efficacemente ai membri della colonia più infettivi di prendersi cura della formica. La modellizzazione ha inoltre rivelato che le decisioni osservate sulla toelettatura delle singole formiche possono essere meglio spiegate da una regola dipendente dal carico di spore, ma probabilistica, su chi strigliare durante gli incontri sequenziali con i membri della colonia. Una regola locale così semplice non richiede una conoscenza globale del carico di spore di tutti i membri della colonia, consentendo così probabilmente un’efficace rimozione dei patogeni anche in colonie di grandi dimensioni. Forniamo inoltre prove sperimentali che impedire alle formiche di prendere decisioni libere sulla toelettatura porta a una ridotta efficienza di rimozione dei patogeni a livello di gruppo, rivelando l'importanza di scelte individuali informate per l'igiene a livello di colonia. Nel complesso, ciò dimostra che semplici regole individuali che integrano sia il livello di minaccia che il feedback sociale assicurano che i membri della colonia più infettivi ricevano di più ma si impegnino meno nell’assistenza, portando a un’immunità sociale altamente efficiente20 e a un rischio ridotto di diffusione della malattia33 a livello di colonia.