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Studio di un team italiano pubblicato su Scientific Reports

CLIMA E ANTRACE: RISCHI PER I PASTORI SIBERIANI

STUDIATI CON UN MODELLO MATEMATICO

Estati sempre più miti: lo scongelamento del permafrost rilascia spore del batterio letale.

Tra le misure possibili l’adattamento dei tempi della stagione del pascolo

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La steppa russa nell’oblast d’Orenburg. Foto di Ghilarovus, CC BY-SA 4.0

VENEZIA – Il cambiamento climatico può favorire direttamente epidemie letali per gli animali e per l’uomo. Un caso emblematico è il crescente rischio di diffusione di antrace in Siberia a causa dello scongelamento del permafrost durante la stagione estiva.

Scienziati dell’Università Ca’ Foscari Venezia, dell’Istituto di scienze polari del Consiglio nazionale delle ricerche e del Politecnico di Milano hanno studiato il primo modello matematico sulla diffusione del batterio dell’antrace nelle zone artiche, pubblicando i risultati oggi sulla prestigiosa rivista scientifica Scientific Reports. Hanno scoperto che il rischio è legato più alla durata della stagione ‘calda’ rispetto alla profondità di scongelamento del terreno.

L’ultima grave epidemia di antrace in Siberia è stata registrata nel 2016, nella penisola del Taymyr, la propaggine più settentrionale dei continenti euroasiatici. Morirono un dodicenne e oltre 2.300 renne.

Le spore del batterio, che si diffondono nel suolo  a partire dalle carcasse degli animali che muoiono per l’infezione, sopravvivono per decenni nel permafrost congelato. Quando le temperature salgono e la morsa del gelo si allenta, le spore tornano a diffondersi nel suolo e ad infettare gli erbivori al pascolo. Sono proprio gli animali a infettare poi le popolazioni indigene, che nella pastorizia hanno una tra le principali fonti di sostentamento.

“E’ come se il permafrost fosse un grande serbatoio che viene aperto dalle temperature sempre più miti – spiega Enrico Bertuzzo, professore all’Università Ca’ Foscari Venezia e autore corrispondente dello studio -. Abbiamo analizzato con un modello i possibili percorsi del batterio proprio considerando l’ambiente e il ruolo della pastorizia”.

Gli scienziati hanno utilizzato i dati temporali di profondità di scongelamento dello strato attivo sopra il permafrost, da correlare al rischio di trasmissione. Il modello distingue spore che vengono rilasciate dai nuovi casi infetti e spore che possono essere riattivate in seguito ai processi che si sviluppano dallo scongelamento del suolo.

“Gli animali sono maggiormente esposti durante il pascolo estivo, quando si ha maggior scongelamento dello strato attivo sopra il permafrost, e degli strati più superficiali di permafrost – aggiunge Elisa Stella, ricercatrice del Cnr e prima autrice dell’articolo – dal nostro studio è emerso che il rischio di trasmissione è probabilmente legato maggiormente alla durata del periodo di scongelamento rispetto alla profondità di scongelamento”.

La ricerca offre un nuovo strumento per lo studio del fenomeno, ma sono molti gli interrogativi a cui rispondere per mitigare il rischio a cui sono esposti gli abitanti della regione siberiana. Non è disponibile, tra l’altro, una mappa delle sepolture degli animali infetti. Questo espone a rischio di attraversare aree contaminate.

Una misura suggerita dai ricercatori italiani è di anticipare o posticipare il pascolo stagionale, evitando il periodo più caldo e riducendo la permanenza del bestiame nelle aree a rischio.

 

L’articolo

Permafrost dynamics and the risk of anthrax transmission: a modelling study

Scientific Reports

Link alla ricerca: www.nature.com/articles/s41598-020-72440-6

Testo dall’Università Ca’ Foscari Venezia sull’antrace in Siberia in conseguenza dello scongelamento del permafrost per il cambiamento del clima.

Pietro D. Omodeo (Univ. Ca’ Foscari) ricostruisce la vicenda del famoso esperto di idrodinamica del ‘600 e del dibattito sulla salvaguardia della laguna

BENEDETTO CASTELLI, LO SCIENZIATO CHE VOLEVA SALVARE VENEZIA CON LA MATEMATICA

Storia di una rivoluzione basata su modelli riduttivi, senza considerare gli aspetti ambientali e di contesto

Benedetto Castelli
Benedetto Castelli. L’immagine è della biblioteca del Museo Galileo di Firenze

VENEZIA – Benedetto Castelli, chi era costui? Allievo prediletto di Galileo con il quale condivideva osservazioni telescopiche, matematico eccelso e fisico, tra gli scienziati più in vista della sua generazione, docente de La Sapienza di Roma, uno dei fondatori della moderna idrodinamica in quanto autore del Della misura dell’acque correnti (1628), la sua figura si ritrova collegata nella prima metà del ‘600 alla storia della laguna di Venezia.

La sua famosissima opera di idrodinamica sviluppa la teoria di come misurare la quantità delle acque correnti applicando le teorie galileiane, un punto di vista estremamente innovativo con aspetti pratici e che prende in considerazione la sezione del fiume e la velocità dell’acqua, elemento mai introdotto prima.

Castelli arriva a Venezia nel 1641 chiamato dai Senatori della Serenissima che già allora si trovavano ad affrontare dei problemi di salvaguardia della laguna quali il restringimento del perimetro lagunare, l’abbassamento del livello delle acque con rischio di progressivo impaludamento e il rischio che le bocche di porto di Malamocco non fossero più navigabili. Oltre a questo, esisteva anche un problema di difesa, visto che le acque sono sempre state considerate dalla Repubblica “le mura di Venezia”.

Castelli, accademico illustre ed accreditato anche presso la Curia papale, interviene nei dibattiti scientifici della Repubblica alla ricerca della soluzione migliore dal punto di vista idrologico. La politica di Venezia era sempre stata quella di dirottare i fiumi all’esterno della laguna ed era già stata adottata nel 1610 deviando il corso del Brenta, ma i problemi persistevano.

Ed è qui che si inserisce la ricerca di Pietro Daniel Omodeo, docente di epistemologia storica presso il Dipartimento di Filosofia e Beni Culturali dell’Università Ca’ Foscari Venezia e vincitore di due progetti di storia della scienza nella prima età moderna: EarlyModernCosmology, Consolidator Grant finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC, Horizon 2020, GA 725883) ed EarlyGeoPraxis, progetto FARE finanziato dal MIUR. Nelle sue indagini nell’Archivio di Stato di Venezia ha rinvenuto una copia manoscritta di una sua relazione, Considerazione intorno alla laguna di Venezia (testo noto quale appendice all’edizione postuma del Della misura dell’acque correnti) non ancora studiata, ma ciò che è ancora più interessante, la trova in un contesto archivistico di documenti del Magistrato alle Acque, in cui i proti della laguna raccolgono quasi un secolo di studi, indagini, consulenze, questionari, relazioni per valutare la situazione e le misure da prendere. L’urgenza dei problemi affrontati è indicata con estrema chiarezza all’inizio del fascicolo che include la relazione del Castelli:

 

[I Senatori] hanno con una loro scr[rittur]a

veduta da me, pianto le miserie della laguna, et

detestata la malvagità degl’huomini, et per ben

esseguire le commissioni della Ser[enit]à

v[ostr]a, vorebbono levar le cause, et non si

possono per modo alcuno levare per esser già

inveterate, et per dir così, naturate.

 

In questo mare di documenti, la consulenza di Castelli doveva contribuire a chiarire i termini e le prospettive di gestione ambientale della laguna di Venezia e permettere al potere politico di decidere su come intervenire per il bene della Repubblica.

Castelli produce in questo contesto, quello che oggi chiameremmo un “report” che spiega le cause della “malattia” della laguna e le possibili soluzioni da adottare. I suoi studi di matematico lo avevano portato a scoprire per primo la formula per calcolare la portata di un fiume dalla sezione del suo letto e dalla velocità dell’acqua. “Ha offerto dimostrazioni geometriche volte a rendere possibile la misurazione delle acque correnti (la “misura”) spiega Omodeo – attraverso l’isolamento di poche variabili: la sezione di una via d’acqua e la sua velocità rappresentando un’altra applicazione di successo della fisica Galileiana”. Dai suoi calcoli matematici applicati alle acque correnti, aveva dedotto che deviare il Brenta fuori dalla laguna era stato un errore e proponeva una soluzione opposta: riportarne il corso all’interno perché la laguna aveva bisogno di più acqua. La prova della sua tesi era la quantificazione dell’innalzamento del livello dell’acqua grazie a questo aumento dell’immissione.

Ma Castelli non aveva tenuto conto di aspetti geologici fondamentali del problema della laguna: il fatto che il suo livello dipende dalle acque marine e dai sedimenti e che inevitabilmente il fiume avrebbe gettato in laguna. Egli aveva seguito la sua strada di matematico, ma aveva trascurato l’aspetto ambientale. In questa tesi mancava del tutto l’osservazione della laguna, l’osservazione diretta di chi in questo ambiente era nato e aveva vissuto: i veneziani.

La Repubblica rigettò la sua tesi e rifiutò la sua proposta; lo scorno fu grande. Ma perché la Serenissima prese questa decisione? I documenti ritrovati da Omodeo ci aiutano a capirlo: tra le carte che compongono il “dossier laguna” del 1600 figurano oltre ai pareri degli esperti di idrodinamica, degli ingegneri, dei costruttori, anche quelli della comunità dei pescatori veneziani, i Nicolotti. Vi sono infatti dei veri e propri questionari fatti ai pescatori della zona per capire direttamente dalle loro osservazioni quali fossero le dinamiche della laguna.

Ecco le domande di quello che sembra un moderno sondaggio:

 

“Qual sia la sua peschazione / Dove son soliti pescare / Che osservatione han fatto del stato della lag[un]a doppo levata la Br[ent]a / In quai luochi perticolarmente sia seguita alterazione /Per qual causa sia seguita / Se li tagli […] ha fatto benef[ici]o / Se le velme si sono abbassate / Se li canali si sono alterati / Se le barene si sono diminuite / Se il porto ha ricevuto danno o beneficio / Se sarebbe d’utile della lag[un]a il cessar di tagli o pure servan i tagli […] / Che cosa in generale o in particolare si potria fare per rimediar ai danni seguiti, et per giovar alla lag[un]a et porti / Come possino essere seguiti dan[n]i alla lag[un]a mentre essendo stata ampliata doverebbesi haverne ricevuto giovam[ent]o così per la salsedine dell’acque, come per il ricettacolo ch’è fatto maggiore / Se per dette novità si sono alterati i corsi delle acque / Se il cammin ha ricevuto alterazione / Se li fondi si sono diversificati nella qualità / Se le pesche sono le medesime.”

 

Splendida l’espressione di Dominio Vincentio, un pescatore di 54 anni che aveva visto la laguna prima della deviazione del Brenta e che ora notava che “l’acqua non può caminar e portar via il sporchesso nel reflusso”.

 

“Emesso di Dom[in]o Vincentio de S. Nicolo pescador d’anni 54 come

disse et dall’aspetto dimostra. Int[errogat]o in che stato si trovi la

lag[una] di V[enezi]a et se ha fatto alteratione dopo levata la B[rent]a,

[dis]se: Il terreno si è alzato assai […].

Io non so dir altro se non che quando l’acqua non può caminar la non

può portar via il sporchesso nel riflusso.

e.d. adunqe i tagli per se stessi non fanno alcun pregiud[iudizi]o alla

lag[un]a?

[dis]se: non vi fanno niente di utile.”

 

Gli amministratori veneziani entrano in discussione con i pescatori sulle cause delle variazioni e sui possibili interventi di miglioria che loro proponevano.

La raccolta di documenti è eccezionale in quanto propone uno dei primi esempi di quella che oggi magari chiameremmo “citizen science”, scienza partecipativa, in cui si crea una forma di condivisione dell’analisi per arrivare ad una decisione che tiene conto di vari fattori e di molteplici punti di vista ed è interessante anche capire in che misura l’interazione tra tecnici e pescatori serva a creare forme di consenso.

Omodeo spiega: “Quello che è interessante dal punto di vista di storia della scienza è che qui si contrappongono due modelli di scienza: il modello tecnocratico di Castelli che si fonda su basi matematiche e scientifiche e il modello democratico che prevede parti diverse che vengono interpellate che si confrontano integrando i saperi, si tiene conto di una pluralità di voci che si affiancano in sistemi complessi”.

Castelli aveva, dall’alto della sua scienza, forte dei principi e delle leggi fisiche, cercato di dare una risposta applicando la sua teoria matematica ai problemi della laguna, ma la sua rivoluzione, basata solo su modelli riduttivi era fallita, scontrandosi con le opinioni dei Senatori che si erano formate “dal popolo volgare”, come lui stesso sottolinea: “avrei stimato di più tesi ben organizzate di un unico uomo esperto, sebbene solo, piuttosto che le opinioni del volgo” “Avevo provato a proporre una cosa totalmente contraria alla maggior parte delle opinioni antiquate”.

“Castelli porta nelle sue valutazioni la scienza galileiana che gli permette di fare determinati calcoli matematici, ma non valuta i molteplici fattori ambientali. La cultura scientifica veneziana invece attinge ad un patrimonio più ampio di conoscenze ed esperienze complesse che guardano la laguna come un sistema, come un organismo, non si interviene solo da una parte, è tutto interconnesso, i fiumi, il mare, gli interventi umani sono elementi da valutare nella loro reciproca interazione. Castelli perde di vista la complessità sistemica del problema e non riesca a proporre una soluzione all’altezza”.

La vicenda della rivoluzione fallita di Benedetto Castelli è indicativa di come possono nascere errori dall’eccessiva fiducia in metodi che non tengono conto dei contesti a cui vanno ad applicarsi.

Il problema di allora forse ha molte analogie ai fatti contemporanei e ci si può insegnare qualcosa, poiché anche oggi, siamo testimoni di errori nella gestione dell’ambiente lagunare che non tengono conto dei contesti.

Ancora una volta, lo studio della storia ed in questo caso della storia della scienza, ci può aiutare a comprendere il presente e guardare al futuro.

 

Testo e immagine sullo studio di Benedetto Castelli dall’Ufficio Comunicazione e Promozione di Ateneo Università Ca’ Foscari Venezia

Prevedere il comportamento delle piante con un modello matematico 

È uno dei pochi modelli computazionali che, riproducendo l’attività di diversi network genetici, è in grado di fare predizioni poi verificate in vivo. Lo studio, coordinato dal Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza in collaborazione con l’Università di Utrecht, è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell

piante modello matematico
Radice di Arabidodopsis thaliana esprimente il gene PLETHORA (in giallo) messa a confronto con il layout del modello matematico in cui una simulazione ha distribuito il gene PLETHORA (in bianco)

La crescita di un organo è un processo articolato in cui l’attività delle cellule e dei tessuti che lo compongono deve essere finemente regolata per garantire una forma e una dimensione finale compatibili con la sua funzione. Ciò vale anche per i vegetali, dei quali sono ancora poco noti i meccanismi alla base della formazione di organi, quali radici, fusti e foglie.

Con le moderne tecnologie di analisi molecolare ad ampio spettro è stato possibile raccogliere negli ultimi anni un’enorme quantità di dati di rilevanza biologica, ma la possibilità di integrarli in un modello capace di predire il comportamento in funzione di alcuni parametri resta ancora molto limitata.

In un nuovo studio coordinato da Sabrina Sabatini del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, in collaborazione con il Dipartimento di Biologia computazionale dell’Università di Utrecht, è stato realizzato un modello computazionale in grado di riprodurre esattamente le fasi di crescita della radice di Arabidopsis thaliana. Integrando evidenze sperimentali con la biologia computazionale, il programma predice il comportamento della pianta in vivo e in diverse condizioni ambientali. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell.

Per acquisire tali risultati, i ricercatori hanno identificato alcuni dei circuiti molecolari centrali nella crescita della radice, utilizzandoli poi come parametri per lo sviluppo del modello.

“Questo lavoro – spiega Sabrina Sabatini – è un esempio di come si può modellizzare un sistema regolativo complesso predicendone gli esiti a partire dai parametri chiave. L’utilizzo di un modello computazionale ci ha permesso di stabilire ad esempio come la proteina PLETHORA (PLT), che si trova in grandi quantità nella nicchia staminale della radice, venga gradualmente diluita in seguito dell’attivazione della divisione cellulare e distribuita nelle cellule indifferenziate di nuova generazione, dove raggiunge livelli minimi di concentrazione”.

Da qui, i ricercatori hanno identificato i network attivi nel differenziamento cellulare e i loro meccanismi di funzionamento: come l’azione inibitoria reciproca di alcune molecole controlli il numero di cellule indifferenziate della radice e come tale processo venga interrotto, a 5 giorni dalla germinazione, da un ormone che favorisce il differenziamento e garantisca una crescita coerente dell’organo.

“Il nostro – conclude Sabatini –  è uno dei pochi modelli dinamici che incorpora l’attività di diversi network genetici in grado di riprodurre in silico la crescita della radice, e potrà essere utilizzato per fare predizioni testabili sperimentalmente in vivo”. 

 

Riferimenti per lo studio sul modello matematico per prevedere il comportamento delle piante:

A self-organized plt/auxin/arr-b network controls the dynamics of root zonation development in arabidopsis thaliana – Elena Salvi, Jaap Rutten, Riccardo Di Mambro, Laura Polverari, Valerio Licursi, Rodolfo Negri, Raffaele Dello Ioio, Sabrina Sabatini & Kirsten Ten Tusscher – Developmental Cell https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.04.004

 

Testo e immagine dell’arabidopsis thaliana dall’Università Sapienza di Roma.

Foto di Naldo Universe