Giocando a carte con la Regina Rossa

Per il Darwin Day 2017, il Museo di Civico di Storia Naturale di Milano ha deciso, visto il successo delle collaborazioni negli anni precedenti, di affidare uno dei laboratori a Italia Unita X la Scienza. Fin qui, tutto bene. Se non fosse che IUXS ha poi deciso di affidare quei poveri liceali al sottoscritto.
Questa è una spiegazione espansiva del razionale e delle regole del “gioco educativo” del laboratorio, che è largamente basato su questa pubblicazione.

Giocando a carte con la Regina Rossa

Ci sono, francamente, un botto di cose sbagliate in come la maggior parte dei libri di testo per i licei trattano la teoria dell’evoluzione, e come generalmente viene insegnata. Al di là del solito “troppo poco” che tutti gli specialisti reclamano per la propria materia (Più italiano! Più inglese! Più matematica!) il problema è che la teoria dell’evoluzione è terribilmente complicata, ma seduttivamente semplice. Mentre c’è il terrore dell’algebra difficilissima c’è molto più pressapochismo su come si insegna l’evoluzione e i suoi processi; pressapochismo che, alla lunga, genera un sacco di confusione.

Due delle concezioni erronee più comuni sono l’idea che l’evoluzione è teleologica verso un miglioramento, cioè che in qualche modo esistano specie “più evolute” e “meno evolute”/che l’evoluzione ha una direzione complessiva, e l’idea che l’evoluzione sia sempre geologicamente lenta.

Queste due convinzioni vengono spazzate via quando si comincia a pensare a certi fenomeni come co-evoluzione. Quando si tratta di co-evoluzione, specialmente tra un parassita è un ospite, si può vedere come è il costante rapporto reciproco che influenza la direzione e la velocità dell’evoluzione, che, per di più, non si ferma mai. Da cui: l’ipotesi della regina rossa.

Ma insomma sta “Ipotesi della Regina Rossa” che è?

A essere fiscali e fiscalissimi il termine ” Ipotesi della Regina Rossa ” si riferisce a due idee, seppur strettamente correlate. L’idea originale viene da Leigh Van Valen che, nel 1973, propose una “nuova legge” per l’evoluzione. In brevissimo, l’idea era che quando abbiamo due specie che si coevolvono strettamente (es. un parassita e un ospite), il cambiamento improvviso in una specie può causare improvvisamente l’estinzione dell’altra, e tale probabilità di estinzione è più o meno indipendente da quanto tempo esistono le due specie.

Per il nome, prese ispirazione da una frase di “Attraverso lo Specchio” di Carroll, il sequel di Alice nel paese delle Meraviglie. Ad un certo punto, Alice rincorre la Regina Rossa sulla cima di una collina, ma si rende conto che per quanto entrambe stessero correndo come delle disperate, alla fine della corsa sono nello stesso punto di partenza. Stupita da ciò, chiede il perché alla regina, che spiega “Qui, invece, vedi, devi correre più che puoi, per restare nello stesso posto”. Similmente, due specie in co-evoluzione non possono mai smettere di correre (evolvere) se vogliono restare nello stesso posto (i.e. non estinguersi).

La seconda idea, comunque collegata, che prende il nome di Ipotesi della Regina Rossa, è quella che la co-evoluzione tra ospite e parassiti crea e mantiene variazione genetica nella popolazione nel tempo. L’ipotesi della regina rossa prevede che un parassita si evolva per cercare di infettare meglio il genotipo più comune nella popolazione di ospiti. I parassiti così aumentano la pressione selettiva nei confronti delle varianti genetiche più comuni, che diminuiscono di fitness. Genotipi rari sfuggono al parassita, e diventano quindi più comuni nella popolazione. La popolazione di parassiti improvvisamente non è più adatta all’ospite: i parassiti inadatti muoiono, e il ciclo continua, creando delle oscillazioni continue nei genotipi.

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Il risultato di una simulazione che mostra la dinamica della regina rossa. SPOILER: la simulazione è il gioco.

E’ questa seconda dinamica co-evolutiva che gli studenti si trovano a imparare, verificare e creare con le proprie mani nel gioco di carte.

Ora, parentesi: lo so, c’è nel nome la parola “ipotesi”, e ipotesi sembra una cosa brutta. ” Che insegni ai miei figli ipotesi così a random?! Se poi salta fuori che non sono vere? Già devo sopportare che gli si insegnino teorie, figuriamoci ipotesi!”. Ecco, presente qualche paragrafo fa quando spiegavo due idee differenti che rispondono comunque al nome di ipotesi della regina rossa? Ecco, tecnicamente, solo la prima è veramente un’ipotesi, quella che cerca di spiegare l’andamento nel tempo geologico delle estinzioni. La seconda idea non di per sé un ipotesi, quanto più un meccanismo, o un modello. Ci sono esempi nel mondo reale di andamenti co-evolutivi che seguono questo andamento o qualcosa di molto simile. Batteriofagi e certi batteri, ad esempio, evolvono così. Con pochissimi aggiustamenti, questo meccanismo si può usare per mostrare l’evoluzione della resistenza agli antibiotici. E, in ultima analisi, l’ipotesi è che una dinamica di questo tipo spieghi l’evoluzione e la permanenza del sesso.
Un po’ come quando si insegna la fisica del pendolo si comincia con ” Per ipotesi, la corda è inestensibile e l’intera massa del pendolo è in un punto materiale”. Non troverai mai un pendolo così, ma se non parti a apprendere i concetti e i meccanismi in situazioni simili, gli oscillatori armonici accoppiati quantistici non li capisci più.

Le Regole del Gioco

Prerequisiti Concettuali: assicuratevi che gli studenti sappiano cos’è un genotipo, un allele, e abbiano almeno una vaga idea di cosa sia la fitness.

Prerequisiti Materiali: Due mazzi di carte da poker distinti (es: uno con il dorso rosso, l’altro con il dorso blu) per ogni gruppo di studenti (Eliminate i jolly). Il gruppo minimo è due studenti, ma tendenzialmente in 3 si riescono a fare più generazioni. Tempo richiesto ~45 minuti.

Procedimento:

Ciascun gruppo prende due mazzi. Il mazzo rosso è rappresenta i parassiti, il mazzo blu gli ospiti. Un giocatore ha il ruolo del parassita; un giocatore ha il ruolo dell’ospite; un terzo povero sfigato ha il ruolo dello scienziato. Durante il gioco è bene che nel gruppo si scambino i ruoli.

Il giocatore-parassita e il giocatore-ospite pescano 12 carte ciascuno dal proprio mazzo. Le 12 carte sono la sua popolazione. Il resto del mazzo resta sul tavolo, come mazzo di riserva. Ciascuna carta rappresenta un individuo. Ciascun seme (cuori, quadri, fiori, picche) rappresenta un allele. Lo scienziato annota quante carte ci sono per ciascun seme sia negli ospiti, che ne i parassiti. Questo è istruttivo perché mostra come il lavoro dello scienziato è per lo più noiosamente appuntarsi cose. Nel caso si stia giocando a coppie, ciascuno appunta i genotipi della sua popolazione.

Step 1: Contatto Ospite-Parassita
L’ospite e il parassita mescolano le loro popolazioni, dopodiché, senza guardare le carte, a caso, formano 10 coppie ospite-parassita (cioè ciascuno con una carta). Tipicamente lo scienziato sta ancora finendo di annotarsi la distribuzione degli alleli dallo step precedente.

Step 2: Infezione e selezione
Quando una coppia ha lo stesso seme, il parassita è in grado di infettare l’ospite, e lo uccide o sterilizza La carta dell’ospite viene messa sul fondo del mazzo di riserva. Se la coppia ha semi diversi, l’infezione non ha successo e il parassita muore, ed è lui a essere scarta sul fondo del mazzo di riserva. Nota: in questo gioco il parassita ha una sola occasione per infettare la vittima, il che significa che, almeno all’inizio, i parassiti tendono a morire di più. A meno che non si estingua prima in poche generazioni la popolazione di parassiti si adatterà agli ospiti.

 

Un recap del procedimento, in eng, dal paper.

Un recap di come funziona una generazione, dal paper. Non è chiarissimo ma non penso di essere in grado di far di meglio.

Step 3: Riproduzione
Per ogni ospite che sopravvive, il giocatore aggiunge una carta dello stesso seme dal mazzo di riserva alla sua popolazione, per un totale di 2 carte (sopravvissuto+riprodotto). Per ogni parassita che sopravvive, il giocatore aggiunge due carte dello stesso seme alla sua popolazione, per un totale di 3 carte (sopravvissuto+due riprodotti). Se un giocatore non ha più carte dello stesso seme nel suo mazzo di riserva, aggiunge una carta casuale. Questo non solo risolve il problema ma aggiunge uno dei motori fondamentali dell’evoluzione: è una mutazione! Un allele diventa un’altro.

Step 4: Limite di Popolazione
Con la riproduzione è molto probabile che la popolazione di parassiti o di ospiti sia composta da un numero diverso da 12 carte. Se il giocatore ha più di 12 carte, scarta a caso il numero di carte necessario per tornare a 12. Questo rappresenta gli individui che emigrano o muoiono perché le risorse sono troppo scarse. Se il giocatore ha meno di 12 carte, pesca a caso dal mazzo di riserva un numero di carte sufficienti per tornare a 12. Questo rappresenta invece l’immigrazione.

Step 5: Osservazione
Lo scienziato (o i giocatori) annotano di nuovo quante carte di ciascun seme ci sono, sia per gli ospiti che per i parassiti. Questo termina una generazione: si ricomincia dallo Step 1!

Dopo un paio di generazioni gli studenti dovrebbero prenderci la mano, e trovare da soli il modo più comodo per accoppiare e riprodursi; una generazione si dovrebbe risolvere in circa 2-3 minuti, anche se questi numeri vengono da test in vitro e non su primati allo stato brado (i.e. non l’ho ancora provato con liceali dallo stato ormonale precario). Per avere una oscillazione completa (un genotipo sparisce o quasi e poi torna ad essere molto frequente) servono di solito almeno 12 generazioni, per cui tenete quello come limite minimo; sarebbe meglio farne 15. Più ce ne sono, meglio è, purché vi ricordiate di far girare il ruolo dello scienziato, che altrimenti vi odierà per sempre.

 

Obiettivi concettuali:
I concetti fondamentali che devono passare sono 3:
1) La co-evoluzione è veloce, alla faccia dell’evoluzione lenta
2) Ciò che è più adatto dipende da generazione a generazione e dalla popolazione locale
3) Il meccanismo della regina rossa mantiene la variazione genetica nel tempo.

Potete aiutare a far passare questi concetti facendo delle domande topiche dopo aver spiegato il procedimento ma prima dell’inizio del gioco:
1) Secondo voi, l’evoluzione è LENTA o veloce? ( Mettendo enfasi sulla parola lenta per trarli in inganno nella loro risposta, dopodiché insultarli per la loro ignoranza.)
2) Secondo voi, quale allele/seme sarà più comune alla fine? (Domanda a trabocchetto infame per cui non c’è risposta, perché dipende dallo stato iniziale dei mazzi)
3) Secondo voi, nell’ultima generazione, avrete ancora tutti gli alleli nella vostra popolazione? (Domanda a trabochetto infame numero 2, perché la risposta dipende dallo stato iniziale dei mazzi)

Una volta arrivati ad un numero accettabile di generazioni e la fine del gioco, fate confrontare i gruppi sull’andamento delle rispettive popolazioni. Se avete un computer sottomano, può farvi comodo questo foglio di calcolo dal paper originale. (c’è spazio per 8 gruppi e se mettete quello che hanno annotato i vostri scienziati, vi fa tutto lui disegnini inclusi). Riproponete le domande sopracitate, e cercate di capire se sono cambiate le risposte e soprattutto se sono passati i concetti.

Se ci provate, e funziona o ancor peggio non funziona, magari lasciatemi un commentino per farmi sapere.

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