I costruttori: nidi, termitai e ragnatele

Percorso: Algoritmi Animali
Modulo 5

Prerequisiti:
Modulo 4
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Introduzione: un edificio climatizzato costruito da operai ciechi

Nella savana africana ci sono tumuli di terra alti sei metri e più. Li costruiscono termiti del genere Macrotermes, insetti lunghi pochi millimetri, ciechi, che vivono un paio di mesi. Il rapporto fra l’altezza della struttura e la taglia del costruttore è dell’ordine di mille a uno: in proporzione, un uomo dovrebbe erigere qualcosa di più alto di un chilometro. Dentro il tumulo la temperatura resta stabile entro pochi gradi mentre fuori l’aria oscilla di quindici o venti gradi al giorno, e l’anidride carbonica resta in una finestra ristretta nonostante il metabolismo di centinaia di migliaia di individui. Nessuna termite ha mai visto il tumulo. Nessuna ne possiede una rappresentazione.

I moduli precedenti hanno esaminato comportamenti che lasciano tracce difficili da misurare: una rotta migratoria, una mappa interna, una danza simbolica. Il comportamento costruttivo lascia invece un oggetto fisico, che si può pesare, sezionare e confrontare con i requisiti di un progetto ingegneristico. La domanda del modulo è di conseguenza più netta: dove si trova l’informazione che specifica la struttura? Non nell’individuo, che non ha né la vista né i neuroni per contenerla. Non nell’apprendimento, o non del tutto. Non nel materiale. Esiste un meccanismo reale e ben documentato — la stigmergia — che riduce enormemente l’informazione che ogni costruttore deve portare con sé, e conviene vedere sia quanto spiega sia che cosa lascia scoperto.

1. Il termitaio: i numeri di un impianto di ventilazione

Le colonie di termiti più grandi arrivano a un milione di individui. Il nido tipico comprende una camera reale, vivai per la covata, giardini per la coltivazione dei funghi, discariche, un pozzo e un sistema di ventilazione. Alcune specie costruiscono in superficie: Amitermes meridionalis, in Australia, edifica nidi lunghi e sottili con i lati stretti verso nord e sud, così che a mezzogiorno, quando il sole è più intenso, resti esposta solo la faccia stretta. Da qui il nome di termite bussola.

I dati riportati da Eric Cassell in Animal Algorithms sono questi. Nei nidi della specie africana coltivatrice di funghi Macrotermes natalensis la temperatura interna resta entro circa un grado da 30 °C e l’anidride carbonica fra il 2,6 e il 2,8 per cento. Nei tumuli di Macrotermes michaelseni l’anidride carbonica è mantenuta fra il 4 e il 6 per cento e la temperatura entro cinque gradi da un valore nominale di 30 °C, mentre all’esterno l’escursione giornaliera è di quindici o venti gradi. Sono valori da impianto di climatizzazione, ottenuti senza ventilatori e senza energia elettrica.

Il meccanismo è ventilazione passiva. Uno studio del 2017 firmato da Samuel Ocko e colleghi lo descrive come una circolazione alimentata dal sole: il riscaldamento differenziale delle pareti nell’arco della giornata genera correnti convettive nei condotti periferici, e questa oscillazione quotidiana scambia i gas con l’esterno. Non è il calore della colonia a muovere l’aria, è il ciclo termico giorno-notte convertito in flusso da una geometria adatta. Uno studio del 2019 su Trinervitermes germinatus ha trovato nelle pareti due popolazioni di pori con permeabilità che differiscono di due ordini di grandezza; i più grandi drenano anche l’acqua piovana. E qui arriva il punto comportamentale: le termiti aprono e chiudono attivamente i pori in risposta al livello ambientale di anidride carbonica. La struttura non è solo un oggetto ben fatto, è un oggetto regolato in tempo reale da un comportamento con retroazione. La costruzione si adatta inoltre al contesto: Macrotermes bellicosus erige tumuli a pareti sottili e forma di cattedrale nelle savane aperte e tumuli a pareti spesse e forma di cupola nelle aree boschive. Alcuni nidi incorporano archi, le cui due basi vengono costruite separatamente e poi congiunte all’apice. Al buio, da cieche.

Il fisiologo J. Scott Turner sottolinea un aspetto che si tende a trascurare: un tumulo può durare più di dieci anni, più a lungo della regina che lo ha fondato, mentre le operaie vivono un paio di mesi. Il tumulo, scrive, è “il lascito di una generazione di operaie a una generazione successiva”, ed è un’eredità per le termiti che lo occupano tanto quanto lo sono i filamenti di DNA ricevuti dai genitori. Va preso sul serio: una parte dell’informazione che governa la costruzione è depositata nella struttura esistente. È la porta d’ingresso alla stigmergia, e anche il suo limite.

2. La stigmergia: come regole locali producono un ordine globale

Il concetto nasce proprio dalle termiti. Nel 1959 il naturalista francese Pierre-Paul Grassé, studiando la ricostruzione del nido in Bellicositermes natalensis e in Cubitermes, coniò il termine stigmergia (dal greco stigma, segno, ed ergon, lavoro). L’idea va enunciata con precisione, perché è il cuore della spiegazione naturalistica del comportamento costruttivo: il lavoro già fatto orienta il lavoro da fare. L’individuo non consulta un piano, consulta lo stato dell’ambiente; la sua azione modifica l’ambiente, e l’ambiente modificato diventa lo stimolo per l’azione successiva, propria o di un altro individuo.

Nel caso classico una termite deposita una pallottola di terra impregnata di un feromone di costruzione, che alza localmente la concentrazione del segnale; un’altra termite che passa di lì ha una probabilità più alta di depositare la propria pallottola nello stesso punto. Ne risulta una retroazione positiva: dove si è costruito, si costruisce ancora. Da deposizioni inizialmente casuali emergono pilastri; quando due pilastri sono abbastanza vicini i gradienti si sommano nello spazio fra loro e le termiti cominciano a costruire in orizzontale; nasce un arco, e dagli archi camere e gallerie. Nessuno ha progettato l’arco.

Bisogna dirlo senza reticenze: la stigmergia è un meccanismo genuino, misurato e potente, e riduce enormemente la quantità di informazione che ciascun individuo deve possedere. Non è un modo elegante di dire “non lo sappiamo”. Ha tre credenziali forti. La prima è sperimentale: esperimenti sulla formica Lasius niger mostrano che il coordinamento della costruzione si ottiene modulando tre comportamenti semplici — scavare, modellare una pallottola, lasciarla cadere sul terreno o su una struttura esistente — sotto il controllo dei feromoni e di una sagoma di riferimento basata sulle dimensioni del corpo. Cassell riporta il dato senza addolcirlo, e fa bene. La seconda è quantitativa: il lavoro di Anaïs Khuong e colleghi su PNAS nel 2016 ha ricostruito la crescita dei nidi di formica a partire da regole locali guidate da informazione topochimica, cioè dalla combinazione fra forma del substrato e traccia chimica che lo impregna, mostrando che quelle regole riproducono l’architettura osservata. La terza è ingegneristica: nel 2014 Justin Werfel, Kirstin Petersen e Radhika Nagpal hanno pubblicato su Science il progetto TERMES, uno sciame di robot identici, privi di comunicazione diretta e di qualunque rappresentazione della struttura finale, che costruiscono edifici predeterminati usando solo regole locali e la percezione dei mattoni già posati. Funziona.

3. Che cosa la stigmergia non spiega

La stigmergia è una spiegazione di distribuzione dell’informazione, non di origine. Spiega perché l’informazione non deve stare tutta nella testa di ogni operaia. Non spiega da dove venga.

Un modello stigmergico non parte da zero. Parte da regole della forma: se la concentrazione di feromone supera la soglia S e la curvatura locale del substrato è compresa fra A e B, deposita una pallottola di massa M. Nelle formiche costruttrici le regole sono poche e semplici, ma “semplice” descrive la forma della regola, non la sua origine: una regola con tre soglie tarate è comunque una specificazione, e qualcosa ha dovuto fissare quei valori. Se le soglie fossero diverse il risultato non sarebbe un nido più brutto, sarebbe un mucchio di terra. Questo rende i modelli meno probanti di quanto sembrino: le regole vengono estratte dall’osservazione degli animali reali e poi calibrate finché la simulazione riproduce la struttura. Si dimostra che sono sufficienti, non che possano nascere da sole. Il modellista è la fonte dell’informazione, perché sceglie le variabili e sintonizza i parametri: lo stesso problema che il sito discute a proposito degli algoritmi evolutivi, dove il risultato appare emergente ma la soluzione è già dentro la funzione di merito scritta dal programmatore.

Cassell osserva che il termine auto-organizzazione, usato come conclusione anziché come descrizione, “è solo una copertura per la parte della spiegazione priva di contenuto, senza alcun meccanismo identificato o altra causa proposta”. Il giudizio è severo ma la distinzione è corretta. Un cristallo di sale si auto-organizza, e le sue regole locali stanno nella chimica del cloruro di sodio. Le regole locali di una termite non stanno nella chimica della terra: stanno nel suo sistema nervoso, e vanno spiegate lì.

Qui torna il filo del percorso. Perché una regola stigmergica funzioni servono come minimo un sensore (recettori per il feromone, per l’anidride carbonica, per la forma del substrato), un’elaborazione che confronti il segnale con una soglia, un attuatore e il programma che li lega. Cassell articola lo stesso punto in termini di quattro elementi del fenotipo — fisiologia, struttura cerebrale, sensori, algoritmo — e nota che una variazione genetica che tocchi uno solo di essi in modo incompatibile con gli altri non produce un comportamento leggermente peggiore: produce nessun comportamento, o un comportamento disadattivo. Il recettore per l’anidride carbonica senza il programma che apre i pori non serve; il programma senza il recettore non ha ingresso. È la struttura logica della complessità irriducibile, trasferita dal piano molecolare a quello comportamentale.

4. Nidi di uccelli: dove innato e appreso si mescolano davvero

Se il termitaio è il caso in cui l’apprendimento è quasi certamente assente, i nidi degli uccelli sono il caso in cui il dato è misto, e va riportato come tale. James e Carol Gould, in Animal Architects, ricordano che le prime autorità ritenevano che un comportamento costruttivo così elaborato dovesse essere appreso, e che furono i naturalisti a dissentire, osservando i nidi costruiti da individui inesperti e constatando che, “nonostante le imperfezioni, avevano la maggior parte delle caratteristiche viste nelle costruzioni degli adulti maturi”. È la formulazione corretta: il piano c’è dalla prima volta, la qualità dell’esecuzione migliora.

Gli uccelli tessitori africani del genere Ploceus costruiscono nidi sospesi intrecciando strisce di erba fresca strappate dalla foglia, con avvolgimenti, anelli e veri nodi eseguiti con il solo becco, in una sequenza che parte da un anello di sospensione attorno a un ramo e arriva a una camera chiusa con ingresso a tubo rivolto verso il basso. Il gruppo di Susan Healy ha filmato tessitori mascherati mentre costruivano nidi successivi, e i risultati sono istruttivi in entrambe le direzioni. Da un lato la costruzione non è un automatismo rigido: individui diversi hanno stili diversi e stabili, alcuni maschi lavorano prevalentemente da sinistra verso destra e altri nel verso opposto, le prestazioni migliorano con la pratica — meno fili d’erba lasciati cadere, meno tempo per nido — e gli stessi ricercatori hanno mostrato che i tessitori imparano a preferire il materiale strutturalmente più efficace. Dall’altro lato la variazione è individuale e non trasmessa: non c’è imitazione, non c’è insegnamento, e il nido di un inesperto è comunque riconoscibilmente il nido della sua specie.

Gli uccelli giardinieri (famiglia Ptilonorhynchidae) costruiscono strutture che non sono nidi ma arene di corteggiamento decorate con oggetti selezionati per colore, e qui l’apprendimento pesa molto di più: i maschi giovani impiegano anni prima di costruire un pergolato competitivo, frequentano le arene degli adulti, sperimentano. Nel 2010 John Endler e colleghi hanno documentato nel giardiniere maggiore Ptilonorhynchus nuchalis un fatto notevole: gli oggetti nel viale sono disposti per dimensione crescente allontanandosi dal punto in cui si posiziona la femmina, il che produce una prospettiva forzata, cioè una scena regolarizzata dal punto di osservazione della femmina e solo da quello. I maschi che la realizzano con più accuratezza hanno più successo riproduttivo, e se un ricercatore scompiglia la disposizione il maschio la ricostruisce in pochi giorni.

Che cosa se ne ricava, onestamente? Che nell’architettura degli uccelli l’apprendimento è reale, misurabile e importante: chi presenta questi nidi come puro automatismo dice una cosa falsa. Ma ciò che si apprende è la calibrazione, non il piano. Il tipo di struttura da costruire, il repertorio di manipolazioni, il criterio con cui si giudica il risultato soddisfacente e la motivazione a costruire non vengono appresi da nessuno.

5. La ragnatela orbicolare: un programma che si può mettere alla prova

Circa la metà delle specie di ragni conosciute costruisce tele di seta. Il ragno tessitore di orbite dorate dispone di sette tipi di ghiandole della seta e sei filiere: sete diverse, con combinazioni proteiche differenti, forniscono elasticità, flessibilità o resistenza. La seta può essere più resistente dell’acciaio a parità di spessore e si allunga più della gomma; le sue proteine hanno dimensioni quasi doppie rispetto alla proteina umana media, e le versioni più corte non ne hanno né la forza né la flessibilità. È una delle ragioni per cui, dopo decenni di tentativi con l’ingegneria genetica, non esiste ancora un equivalente funzionale su scala industriale.

Una tela orbicolare da giardino contiene fra i venti e i sessanta metri di seta e viene costruita in una sequenza fissa. Il ragno rilascia un filo che il vento porta a fissarsi a un ancoraggio lontano, il filo ponte; lo rinforza, poi ne lascia cadere un altro che ancora in basso, ottenendo una struttura a Y con un centro provvisorio. Costruisce la cornice esterna, poi i raggi, a intervalli angolari regolari e sempre partendo dal centro, e rinforza il mozzo. Stende quindi una spirale ausiliaria non adesiva, dal centro verso l’esterno, che serve solo da impalcatura per mantenere la distanza fra i raggi. Infine la ripercorre a ritroso, dall’esterno verso il centro, deponendo la spirale di cattura appiccicosa e smontando l’impalcatura mano a mano che avanza. Vale la pena fermarsi qui: una parte della struttura viene costruita al solo scopo di essere distrutta, e il suo valore sta interamente nel fatto che la fase successiva la richiede. È una firma di sequenza programmata, non di improvvisazione locale.

Il ragno determina angolo e distanza della preda confrontando l’intensità delle vibrazioni ricevute dalle otto zampe, come facciamo noi con due orecchie: otto sensori invece di due rendono l’algoritmo molto più complesso, e gli esperimenti mostrano che può memorizzare le coordinate di almeno tre prede diverse. Nessuna tela è però identica a un’altra, nemmeno fra ragni della stessa specie: come notano i Gould, ogni insieme di ancoraggi è diverso e il numero di raggi dipende dall’opportunità. Il programma non è una sequenza di movimenti fissi, ma un programma con parametri e retroazione, come conferma il fatto che i ragni riparino con successo le tele danneggiate.

Due test della programmazione interna

Le sostanze psicoattive. Alla fine degli anni Quaranta il farmacologo Peter Witt, a Tubinga, ricevette dallo zoologo Hans Peters una richiesta banale: somministrare farmaci ai ragni per spostare l’orario di costruzione a un’ora più comoda per le riprese. L’effetto sull’orario fu trascurabile; quello sulla geometria fu marcato e, soprattutto, specifico. Ogni sostanza produce un pattern di distorsione caratteristico, che riguarda la regolarità angolare dei raggi, la spaziatura della spirale, il numero di giri, l’area coperta. Witt passò decenni a quantificare quelle deformazioni, e l’approccio è stato poi ripreso come test di tossicità, perché la tela funziona da registrazione grafica dello stato del sistema nervoso che l’ha prodotta. Il significato è questo: se una molecola che agisce sui neuroni deforma la geometria della tela in modo riproducibile, la geometria della tela è codificata nei neuroni. Non nell’ambiente, non nel materiale.

L’assenza di gravità. Nel 1973, su proposta di una studentessa liceale, due ragni crociati furono portati a bordo della stazione Skylab. La prima tela risultò irregolare e con fili di spessore disomogeneo; le successive furono molto più vicine alla norma, benché con seta mediamente più sottile e uniforme. Il programma gira anche senza il riferimento che sulla Terra usa. Un esperimento più recente sulla Stazione Spaziale Internazionale, analizzato nel 2021 da Samuel Zschokke e colleghi, ha aggiunto un dettaglio: al buio le tele costruite in orbita erano più simmetriche del normale e l’orientamento del ragno casuale, mentre con una lampada accesa i ragni si orientavano rispetto alla luce, come se questa fosse subentrata alla gravità nel ruolo di riferimento verticale. È un caso da manuale di programma con ingresso ridondante.

Sull’origine, invece, il quadro è aperto: sono state proposte varie teorie per la seta e per la tela orbicolare e nessuna è stata generalmente accettata. Lo specialista William Shear ammette che “una spiegazione funzionale per l’origine della seta e dell’abitudine di filare potrebbe essere impossibile da raggiungere”. Complica il quadro il fatto che tele quasi identiche compaiano in ragni imparentati alla lontana, il che costringe a invocare l’evoluzione convergente.

6. Le celle esagonali: quanta fisica, quanto comportamento

Questo è il caso in cui l’obiezione naturalistica è più forte, e per questo il più istruttivo. Darwin dedica al favo pagine ammirate e riconosce che le api hanno praticamente risolto un problema recondito, realizzando celle della forma che contiene la massima quantità di miele con il minimo consumo di cera. Ma propone subito una spiegazione gradualista: la selezione naturale avrebbe portato le api, “per gradi lenti”, a scavare sfere uguali a distanza costante in un doppio strato e a costruire lungo i piani di intersezione. In questa lettura l’esagono non è un obiettivo, è ciò che resta quando sfere di uguale raggio vengono scavate fino a incontrarsi. La geometria fa il lavoro.

La versione moderna è più forte. Nel 2013 Bhushan Karihaloo, Kai Zhang e Jian Wang hanno sostenuto sul Journal of the Royal Society Interface che le celle nascono circolari e diventano esagonali per un processo fisico: la cera riscaldata dalle api fino a circa 45 °C si comporta come un fluido viscoso e le pareti fra celle adiacenti si riorganizzano verso la configurazione di minima energia superficiale, come le bolle in una schiuma. È una spiegazione seria, con misure a sostegno. Il dibattito però non si è chiuso lì: Dorothea Bauer e Kaspar Bienefeld hanno misurato le celle nelle primissime fasi riportando angoli già prossimi a 120 gradi fin dall’inizio e concludendo che non sono prodotte da un processo di equilibrio liquido, e nel 2016 Francesco Nazzi ha proposto un modello in cui la forma esagonale discende dalla regola geometrica con cui le api posizionano ciascuna cella rispetto alle vicine. Allo stato, la posizione più difendibile è che entrambi i fattori contribuiscano.

Concedere alla fisica tutto il possibile non elimina il problema comportamentale: lo sposta. Perché la cera fluisca verso la configurazione esagonale, le api devono mantenerla nell’intervallo di temperatura giusto, cioè scaldarla attivamente e impedirle di superare la soglia oltre la quale collassa. Devono produrla: la cera non viene raccolta dai fiori, come si è creduto a lungo, ma sintetizzata da otto gruppi di ghiandole appaiate sull’addome ed estrusa in scaglie sottilissime. Devono costruire favi verticali, paralleli e distanziati; Karl von Frisch scoprì che in certe condizioni le api orientano il favo rispetto al nord magnetico, il che fornisce a migliaia di operaie un riferimento comune. Devono accoppiare le celle schiena contro schiena in doppio strato, così che ogni metà a tre lati fornisca anche una parete a ciascuna di tre celle adiacenti: un espediente strutturale riscoperto dagli ingegneri umani milioni di anni dopo. E devono farlo su scala: un favo medio richiede l’energia di circa sedici chili di miele per produrre due chili e mezzo di cera e formare circa centomila celle.

Bernd Heinrich riassume così: la precisa regolarità del favo è stata una fonte di stupore, e dopo oltre trecentocinquanta articoli scientifici non esiste ancora una risposta completa su come le api lo costruiscano. Il dibattito sull’esagono è dunque un dibattito reale fra scienziati, non una controversia fra scienza e ID. La fisica non rimuove il comportamento: cambia che cosa il comportamento deve specificare. Che i comportamenti coinvolti — selezione del sito, sintesi dei materiali, controllo termico, coordinamento fra operaie — possano essere affinati dalla selezione naturale una volta esistenti è non solo possibile ma probabile, e Cassell lo concede esplicitamente. Aperta resta la loro origine: è la distinzione fra ottimizzazione e innovazione discussa in Cosa può e cosa non può fare la selezione naturale.

7. Dove sta l’informazione che specifica la struttura

Mettiamo insieme i pezzi. Un termitaio con ventilazione regolata, un nido di tessitore con nodi veri, una tela orbicolare con cinque tipi di seta e una sequenza di montaggio a fasi, un favo con centomila celle a tolleranza costante. Misurati come misureremmo un manufatto umano, sono oggetti che contengono una quantità considerevole di informazione strutturale. Dove si trova la fonte?

Non nell’individuo come rappresentazione: le termiti sono cieche e non hanno mai percepito il tumulo, gli esperimenti sulle vespe muratrici mostrano che l’animale non possiede un’immagine cognitiva del nido finito ma esegue una successione di programmi motori, e il cervello di un’ape pesa circa un milligrammo. Non nell’apprendimento, se non in parte: il primo nido di un tessitore è già un nido della sua specie, e la prima tela di un ragno appena uscito dall’uovo, senza modelli osservati, è già una tela orbicolare corretta. Non nel materiale: la cera contribuisce alla rifinitura dell’esagono, ma non decide dove costruire il favo né come orientarlo, e la terra non si dispone in archi. In parte nella struttura già costruita, ed è la stigmergia: parte reale, che va contata. Ma la struttura già costruita è il prodotto delle regole locali, non la loro fonte, e non risolve il problema del primo pilastro, perché la prima pallottola di terra viene depositata in assenza di qualunque traccia.

Resta il programma. È utile distinguere due tipi di informazione, come si fa parlando di complessità specificata. C’è l’informazione descrittiva, cioè quanti bit servirebbero per elencare la posizione di ogni granello di un termitaio: enorme, ma in gran parte ridondante. E c’è l’informazione prescrittiva: il numero minimo di istruzioni necessarie a generare una struttura funzionale di quel tipo. La seconda è molto più piccola della prima — la stigmergia è precisamente il motivo per cui lo è — e questa compressione, lungi dall’essere un argomento contro il progetto, è il tratto distintivo dei sistemi generativi ben fatti. Un file di CAD parametrico è più corto dell’edificio che descrive, e nessuno conclude che si sia scritto da solo.

Il programma prescrittivo deve stare nel sistema nervoso, ed è specificato in qualche modo dal genoma attraverso lo sviluppo. Come, esattamente, non lo sappiamo: identificare i geni che specificano un circuito che specifica un comportamento è oggi ben oltre le nostre capacità, e chi afferma il contrario in una direzione o nell’altra sta esagerando. È il problema del modulo 6. Vale però ricordare che il rapporto fra genoma e fenotipo non è una corrispondenza semplice: il sito ha discusso altrove come l’informazione biologica sia organizzata in modo gerarchico, e questo vale a maggior ragione per i circuiti che generano comportamento.

8. Anticipazione: strutture che funzionano solo se già complete

Il chimico brasiliano Marcos Eberlin, membro dell’Accademia Brasiliana delle Scienze e a lungo direttore del laboratorio di spettrometria di massa Thomson all’Università di Campinas, ha formulato in Foresight un criterio che si applica bene ai costruttori. Lo chiama principio della “previsione o morte”: molti sistemi biologici richiedono che un problema venga riconosciuto prima che si presenti, e risolto con la consegna simultanea e coordinata di più componenti già funzionanti.

Il suo esempio più chiaro non è un animale ma una pianta carnivora. Una trappola che cattura ma non digerisce non serve a nulla, perché la preda marcisce; enzimi digestivi senza trappola non hanno niente da digerire. Darwin descrisse queste piante nel 1875, e da allora, osserva Eberlin, nessun lavoro ha mostrato come le loro funzioni anatomiche, elettriche e biochimiche sincronizzate possano essersi formate per gradi. La domanda che pone è diretta: perché la selezione naturale avrebbe dovuto premiare, per generazioni, la costruzione progressiva di un apparato che non forniva ancora né nutrimento né protezione e intanto consumava risorse? La selezione naturale non guarda al beneficio futuro.

La ragnatela orbicolare ha la stessa struttura logica. Servono insieme le ghiandole della seta, una seta appiccicosa distinta da quella strutturale, il programma di posa che dispone l’adesiva solo dove serve, le zampe che permettono al ragno di camminare sulla propria tela senza restarvi incollato, i recettori vibrazionali, l’algoritmo che triangola la posizione della preda e il comportamento di corsa e avvolgimento. Una tela senza recettori vibrazionali cattura prede che il ragno non trova; recettori vibrazionali senza tela sono recettori di rumore. Il termitaio presenta lo schema in versione più stringente, perché ne dipende la colonia intera: il giardino di funghi produce anidride carbonica e calore, e senza ventilazione il nido diventa letale in fretta. Pori senza sensore non regolano nulla, sensore senza comportamento non produce effetti, comportamento senza condotti agisce su un sistema che non ventila comunque.

Qui bisogna essere precisi, perché l’argomento viene spesso spinto oltre ciò che regge. Non è vero che ogni struttura animale sia tutto-o-niente. Una tana è utile anche se rudimentale; un ammasso disordinato di seta cattura qualche insetto, ed esistono ragni che costruiscono tele a lenzuolo o a imbuto molto meno organizzate di un’orbicolare e vivono benissimo. In questi casi il gradualista ha una risposta legittima. L’argomento morde su un insieme più ristretto: i casi in cui il beneficio dipende dalla coesistenza di componenti eterogenei e coordinati, ciascuno inutile o costoso da solo. La regolazione dei pori in funzione dell’anidride carbonica è uno di questi; la spirale ausiliaria smontata durante la posa di quella definitiva è un altro; la prospettiva forzata del giardiniere maggiore, che funziona solo dall’angolo di vista di un altro individuo, è un terzo. Il problema non è che manchi una storia plausibile: è che ogni storia proposta richiede più cambiamenti coordinati insieme, e la probabilità di cambiamenti genetici multipli e coordinati è il collo di bottiglia incontrato modulo dopo modulo, discusso nei termini più generali ne Il margine dell’evoluzione. Va aggiunto che quella di Eberlin è esplicitamente un’inferenza alla migliore spiegazione e non una dimostrazione: constata che l’unica causa di cui abbiamo esperienza uniforme capace di anticipare un problema e consegnare insieme le parti che lo risolvono è una mente. Resta un’inferenza rivedibile.

9. Obiezioni

«La stigmergia spiega tutto senza bisogno di programmi complessi»

Nella forma più forte: i modelli stigmergici riproducono le architetture reali partendo da tre o quattro regole locali, i robot TERMES costruiscono edifici senza alcuna rappresentazione globale, quindi l’apparente complessità del termitaio è un’illusione prodotta dalla nostra tendenza a proiettare un progetto su un risultato emergente. È l’obiezione più seria del modulo e va concessa in gran parte: la stigmergia funziona davvero e riduce drasticamente il carico informativo per individuo. Ciò che non copre è l’origine delle regole. Un modello stigmergico richiede variabili scelte, soglie tarate e una funzione di risposta; cambiando le soglie non si ottiene un nido peggiore, si ottengono detriti. Le regole vengono estratte dagli animali e calibrate finché la simulazione converge: si dimostra la sufficienza, non l’origine. E i robot TERMES rendono il punto in modo netto, perché il loro programma di controllo è stato scritto da tre ricercatori di Harvard. La stigmergia riorganizza il problema dell’informazione, non lo dissolve.

«I nidi migliorano con l’esperienza, quindi c’è apprendimento»

Vero e documentato: i tessitori mascherati lasciano cadere meno erba e lavorano più in fretta con la pratica, imparano quale materiale regge meglio, e i giardinieri impiegano anni prima di costruire un pergolato efficace. Chi presenta il comportamento costruttivo come automatismo rigido descrive male i dati. Il punto è che l’apprendimento osservato riguarda l’esecuzione e non il piano: un tessitore inesperto costruisce un nido riconoscibile della propria specie, non un nido generico che l’esperienza specializza, e nessuno gli insegna il nodo. Inoltre l’apprendimento presuppone ciò che è in discussione, perché per imparare che un materiale regge meglio occorre già possedere un criterio di successo, una motivazione a costruire, un repertorio motorio su cui variare e una memoria strutturata per confrontare i tentativi. Sono quattro cose innate che servono perché la quinta possa essere appresa. In questo dominio l’apprendimento non è un’alternativa alla programmazione: è una funzione della programmazione, e per giunta costosa da implementare.

«Le celle esagonali sono un effetto fisico, non un comportamento»

È l’obiezione con la base sperimentale migliore. La cera scaldata verso i 45 °C fluisce e le pareti fra celle contigue si riorganizzano verso il minimo di energia superficiale; l’esagono è la tassellatura che minimizza il perimetro a parità di area, e non serve che l’ape sappia nulla di geometria. Va accettato: una porzione della regolarità del favo è fisica, non comportamentale. Restano tre cose. Il dibattito scientifico non è chiuso, perché misure sulle prime fasi di costruzione indicano angoli già vicini a 120 gradi prima che qualunque flusso possa averli prodotti. La fisica agisce solo dentro una finestra di condizioni create e mantenute dal comportamento — temperatura della cera, verticalità e parallelismo dei favi, sincronia fra migliaia di operaie, sintesi della cera dalle ghiandole addominali — e togliendo il controllo termico la cera collassa. Infine l’esagono è il dettaglio più facile del problema: il favo è un sistema tridimensionale a doppio strato, con celle di dimensioni diverse per operaie, fuchi e regine, orientato rispetto a un riferimento comune e costruito da un collettivo. Spiegare l’esagono non spiega il favo.

«L’anticipazione è un’illusione retrospettiva»

Nella forma forte: dire che una struttura “doveva essere progettata prima di servire” significa guardare l’esito e dichiararlo necessario. La selezione non anticipa nulla, conserva ciò che funziona qui e ora; strutture parziali possono aver avuto funzioni diverse da quelle attuali — la seta, prima delle tele, serviva probabilmente a rivestire tane e avvolgere uova — e la cooptazione di parti preesistenti è un fenomeno reale, discusso sul sito a proposito di cooptazione ed exaptation. L’obiezione è corretta in generale e va accolta: l’inferenza di anticipazione non si applica a qualunque struttura, e applicarla indiscriminatamente la svuota. Applicata bene, però, non è retrospettiva. La formulazione rigorosa non è “questa struttura è troppo bella per essere nata a caso”, ma: dato uno stato di partenza specificato e un insieme di componenti eterogenei, esiste un percorso in cui ciascun passo intermedio è funzionale e selezionabile? È una domanda che si pone in avanti, e a volte si può rispondere. Per la seta e per la tela orbicolare la risposta, ammessa da uno specialista come Shear, è che una spiegazione funzionale potrebbe essere irraggiungibile. Non è un argomento dall’ignoranza: è la constatazione che dopo decenni di tentativi documentati il percorso graduale non è stato descritto.

Concetti chiave

1. Il comportamento costruttivo produce dati misurabili, e i dati sono impegnativi. Un termitaio di Macrotermes natalensis mantiene la temperatura entro circa un grado da 30 °C e l’anidride carbonica fra il 2,6 e il 2,8 per cento, mentre fuori l’aria oscilla di quindici o venti gradi al giorno: prestazioni da impianto progettato, senza energia elettrica, da parte di insetti ciechi.
2. La stigmergia è una spiegazione reale e potente, e va concessa senza riserve. Il lavoro già fatto orienta il lavoro da fare: la traccia lasciata nell’ambiente sostituisce la rappresentazione mentale del progetto. Il meccanismo è documentato in laboratorio, riprodotto in simulazione e implementato in robotica.
3. La stigmergia distribuisce l’informazione ma non la crea. Ogni modello presuppone variabili scelte, soglie tarate e una funzione di risposta, estratte dagli animali reali e poi calibrate: dimostra che quelle regole bastano, non da dove vengano. E richiede comunque sensori, elaborazione, attuatori e programma coesistenti.
4. Nei costruttori l’apprendimento riguarda la calibrazione, non il piano. I tessitori migliorano con la pratica e i giardinieri impiegano anni per un pergolato competitivo, ma il primo nido è già il nido della specie, e per imparare occorre già possedere criterio di successo, repertorio motorio e memoria strutturata.
5. La fisica del materiale non elimina il comportamento: cambia ciò che il comportamento deve specificare. Il flusso della cera contribuisce alla forma esagonale, ma sono le api a produrla, scaldarla nell’intervallo giusto, orientare i favi e coordinarsi in migliaia. Il dibattito sull’esagono è aperto fra scienziati, non fra scienza e ID.
6. L’informazione prescrittiva è più corta della struttura che genera, e questo non è un argomento contro il progetto. Un termitaio è largamente comprimibile in poche regole, come un edificio in un file di CAD parametrico: la compressione è il tratto dei sistemi generativi ben fatti, non la prova che si siano scritti da soli.
7. L’inferenza di anticipazione morde su un insieme ristretto e preciso di casi. Non su qualunque struttura, ma su quelle in cui il beneficio dipende dalla coesistenza di componenti eterogenei inutili da soli: pori più sensore di anidride carbonica più regolazione, tela più recettori vibrazionali più algoritmo di triangolazione.

Per approfondire

• Perché la complessità irriducibile è un problema per il darwinismo — la struttura logica dell’argomento sui componenti coesistenti, qui trasferita dal piano molecolare al comportamento.
• I limiti degli algoritmi evolutivi — perché una simulazione che riproduce una struttura non dimostra che la struttura possa nascere da sola.
• Complessità specificata — la distinzione fra informazione descrittiva e prescrittiva, indispensabile per valutare un programma corto che genera una struttura grande.
• Cosa può e cosa non può fare la selezione naturale — la differenza fra affinare un comportamento esistente, che è documentata, e originarlo, che è la questione aperta.
• Le risposte dei critici, cooptazione ed exaptation — l’obiezione più forte all’idea che una struttura debba essere completa per funzionare.

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