Come studiare il comportamento degli insetti

Lo studio del comportamento animale si chiama etologia. Uno dei comportamenti più semplici da osservare è un movimento degli animali attraverso l’ambiente. In questo articolo illustreremo gli esperimenti di scelta usati per studiare il comportamento di insetti o piccoli animali. Dopo questa attività, gli etologi dilettanti dovrebbero essere in grado di apprezzare come gli insetti siano animali con comportamenti complessi, e conosceranno meglio le loro motivazioni comportamentali. Gli scienziati dilettanti più bravi potranno divertirsi anche nella progettazione sperimentale e nell’analisi statistica dei risultati.

Poiché gli ambienti naturali possono essere molto complessi, gli etologi spesso progettano semplici esperimenti di laboratorio per identificare più chiaramente i comportamenti innati degli animali. Un semplice test comportamentale che puoi eseguire in laboratorio è un cosiddetto “test di scelta”. In questo tipo di esperimento un animale è posto nel mezzo di una camera di scelta con due alternative a entrambi i lati. I lati della camera, ad esempio, potrebbero contenere cibi diversi, diversi colori o intensità della luce o odori di diversi prodotti chimici attrattivi o repellenti.

In genere, quando metti per la prima volta un animale nella camera, la sua prima reazione è correre in modo casuale in una direzione per paura. Questo tipo di movimento non diretto casuale è un tipo di comportamento chiamato Kinesis (queste  “reazioni di fuga” di molti insetti, dipendono da un riflesso che coinvolge assoni giganti che conducono rapidamente gli impulsi dagli organi di senso ai muscoli). Ciò a cui siamo generalmente più interessati è invece un taxis, un tipo di comportamento in cui un animale orienta il suo corpo verso uno stimolo, come una delle offerte nella camera scelta.

Uno dei tanti insetti utilizzabili in una camera di scelta.

Kinesi e tassi possono essere definiti rispetto al tipo di stimolo che suscita una risposta. Prefissi appropriati includono: anemone per correnti d’aria, astro- solare, lunare o astrale, chemio- per gusto e odore, geo-gravità, igrometrico per umidità, phono- per suono, foto- per luce, reo- per corrente d’acqua e temperatura termica. L’orientamento e il movimento possono essere positivi o negativi rispetto alla fonte di stimolo in modo tale che, ad esempio, la resistenza alla gravità sia definita geotassi negativa, l’attrazione per la luce sia una fototassi positiva, la repulsione dall’umidità è un’igrotassi negativa.

Materiali e procedura degli esperimenti di scelta

Una camera di scelta adatta per gli esperimenti di scelta può essere acquistata online. Ma è anche possibile costruire la propria camera utilizzando piastre di Petri in plastica (come ad es. quelle che trovi qui) o contenitori usa e getta per alimenti in plastica. L’idea di base è che la camera dovrebbe avere 3 parti. Le due aree di scelta dovrebbe essere il più simili possibili fra loro ed equidistanti dalla camera di mezzo. Idealmente dovrebbe anche essere facile portare cose dentro e fuori da tutte le aree della camera.

Dal momento che non siamo interessati a dove va l’animale a causa della kinesis indotta dalla paura, è utile ripetere l’esperimento più volte, in modo tale che se va casualmente a sinistra o a destra, tale distorsione viene mediata nel corso di molte prove. È anche utile concedere all’animale un po’ di tempo per fare una scelta che potrebbe riflettere i taxa verso un lato della camera. Gli insetti più lenti, come il baco da latte, possono essere buoni soggetti per esperimenti di comportamento.

Alcuni coleotteri al’interno di una camera di scelta, che puoi anche realizzare da solo con delle capsule di Petri di plastica che trovi ad es. qui.

Per fare dei test di comportamento, avrai bisogno semplicemente di una camera di scelta e di alcuni esemplari di insetti (o altri piccoli animali). È utile avere una colonia di insetti con molti individui, in modo da poter ripetere gli esperimenti di comportamento più volte con individui diversi. Ecco una procedura di base per eseguire gli esperimenti (più avanti offrirò alcune idee per le variazioni):

1. Decidi il tuo design sperimentale. A seconda dell’età o del livello dei tuoi studenti, puoi chiedere loro di progettare i propri esperimenti o concordare dopo una discussione di gruppo. Possono descrivere l’esperimento in termini di un’ipotesi che verrà testata? Come minimo, dovresti decidere le seguenti cose:

• quali insetti (specie, sesso, età, etc.) utilizzerai nell’esperimento. Importa se separi i maschi dalle femmine.
• che cosa le camere di scelta offriranno gli insetti o quante repliche delle prove includerà l’esperimento?
• dovresti testare lo stesso insetto più volte? O diversi insetti? Ogni approccio ha i suoi meriti e quale si sceglie potrebbe dipendere da quanti insetti hai con cui lavorare
• come minimizzare eventuali influenze confondenti sul tuo esperimento. Ad esempio, se tu ripeti l’esperimento, varia il lato (sinistro o destro) di ogni offerta in modo che l’insetto non sia attratto da qualcosa in quella direzione (come la luce).

1. Imposta una tabella per registrare i risultati. Compila una tabella già predisposta o creane una tua. Prepara gli studenti a registrare le osservazioni.
2. Prepara ciascun lato della camera scelta. Aggiungi qualsiasi alimento, etc. che userai per testare il comportamento degli insetti.
3. Sposta delicatamente un insetto nel mezzo della camera. Più un animale è stressato, più tempo ci vorrà per ottenere un risultato chiaro.
4. Attendi e osserva mentre l’insetto fa la sua scelta. Se un insetto non è troppo stressato per essere stato spostato, dovrebbe calmarsi e assumere comportamenti regolari entro circa 10 minuti. Durante questo tempo è utile fare osservazioni ravvicinate e qualitative del movimento dell’insetto (ciò è particolarmente utile se l’esperimento non funziona nel modo previsto: ad esempio, se non si muove, cosa sta facendo?).
5. Registra il risultato (su quale lato della camera finiscono gli insetti).
6. Chiedi agli studenti di riassumere i loro dati in qualche modo. A seconda dell’esperienza dei tuoi studenti, ciò potrebbe significare la creazione di un grafico a barre del numero di volte in cui gli insetti sono andati in ciascuna direzione. Ciò mostra una preferenza? Come potrebbe confrontarsi il risultato di un esperimento con un altro simile ma in qualche modo diverso?
7. Effettua un’analisi statistica più raffinata dei dati raccolti. Opzionalmente, nelle classi avanzate, un insegnante può guidare gli studenti attraverso l’uso del test χ2 (sulla significatività statistica) per aiutare a formarsi delle conclusioni.

Una semplice camera di scelta fai-da-te realizzata da alcuni studenti.

In pratica, un numero prestabilito degli animaletti scelti viene posizionato al centro della camera di scelta. Dieci è un buon numero. A intervalli di un minuto, viene conteggiata la quantità di ciascun animale in ciascuna delle due sezioni della camera. Questo di solito si ripete per circa 5 minuti. Dopo questo periodo, gli studenti dovrebbero essere in grado di vedere quali condizioni preferisce l’animale prescelto. Assicurati di lavarti le mani dopo aver maneggiato insetti o piccoli animali.

Alcune idee per gli esperimenti di scelta

Gli esperimenti di scelta sono un’attività classica nell’aula di scienze perché insegnanti e studenti possono farli e adattarli a una vasta gamma di domande. Pensa a come adattare questa attività ad altri contenuti e concetti che stai già insegnando. Ecco alcune idee a riguardo:

Scelte alimentari – Il ceppo di laboratorio dei bachi da latte è in cattività da quando sono stati allevati negli anni ’70 in modo da sopravvivere con semi di girasole. Tuttavia, un altro ceppo (ora perduto) era stato allevato per nutrirsi con i semi di zucca. In cosa differisce la preferenza degli insetti per questi (o altri) alimenti? La preferenza differisce nei bachi del latte selvatici vs. quelli allevati in cattività?

Una originale camera di scelta multipla che ha per oggetto il cibo.

In generale, gli insetti possono fare la loro scelta più velocemente se li conservi durante la notte senza cibo o acqua. Puoi anche testare come il privarli di acqua e/o cibo per periodi di tempo diversi influenza le loro scelte alimentari o la velocità con cui vanno a una fonte di cibo quando sono aggiunto ad una camera che ne ha uno (attenzione! Certi insetti moriranno se non ce hanno cibo o acqua per più di circa 3 giorni).

Odori – Gli insetti hanno un grande senso dell’olfatto e sperimentano gran parte del loro mondo attraverso il profumo. Puoi verificare se gli insetti sono attratti o respinti da determinati odori? È possibile estrarre l’ odore di molte cose semplicemente schiacciandolo in acqua o alcool e poi lasciandolo asciugare sulla carta, o pulendolo con un tovagliolo di carta inumidito con acqua o alcool. Gli insetti sono attratti da (o respinti da) l’odore di:

• Acqua o alcool? – Potrebbe trattarsi di un importante esperimento di controllo!
• Cibo
• Altri insetti? (I maschi dalle femmine? Le femmine dai maschi? Da altre specie di insetti?)
• Insetticidi
• Predatori (riesci a trovare una mantide, un ragno o un uccello per ricavarne un po’ di profumo?)

Come si usa in pratica una camera di scelta (espandibile a 4 camere).

Luce – Gli insetti preferiscono la luce intensa alla copertura? Usa lampade, torce elettriche, carta da costruzione scura, foglio di alluminio o cellophane colorato per creare aree illuminate diversamente. Ad esempio impostare la camera di scelta in modo che metà sia scura (ad es. avvolgendola con un nastro opaco) e metà illuminata da una lampada posta sopra, dopodiché introduci 10 esemplari di insetti al centro della camera di scelta e ogni minuto, per 10 minuti, conta il numero di esemplari nella metà illuminata. Ripeti l’esperimento tre volte, se possibile con esemplari nuovi.

Indizi sociali – Molti insetti sono semisociali, il che significa che resteranno in contatto con altri individui delle loro specie quando sono stressati (o annoiati). Ciò è particolarmente vero per certi insetti sociali, come ad es. le formiche. Chiedi a un gruppo di insetti di rilassarsi in un lato della camera di scelta, lasciando l’altro lato vuoto. Quindi introduci un nuovo insetto. Il novizio si unisce al gruppo? Importa se il gruppo contiene maschi o femmine e se il nuovo insetto è maschio o femmina? La loro età fa la differenza?

Analizza i tuoi risultati con il test del chi-quadro

I test di scelta sono un ottimo modo per introdurre le analisi statistiche agli studenti. In genere un test statistico appropriato per questo tipo di esperimento sarà il test del chi-quadro), che è un semplice test che può essere eseguito utilizzando una calcolatrice di base o diversi tool online gratuiti. Si tratta infatti di uno dei test di verifica d’ipotesi più usati in statistica, ed utilizza la distribuzione cosiddetta “del chi quadrato” per decidere se rifiutare o non rifiutare l’ipotesi nulla.

La distribuzione del test del chi quadrato per vari “gradi di libertà” k (spiegati più avanti). 

Il test chi quadrato è ampiamente utilizzato per verificare che le frequenze dei valori osservati si adattino alle frequenze teoriche di una distribuzione di probabilità prefissata. Il test chi quadrato consente di stabilire – dopo aver fissato l’errore massimo tollerato – se, ad esempio, nel lancio in aria di una moneta per il classico “testa o croce” le discrepanze tra le frequenze osservate e quelle teoriche sono imputabili completamente al caso o se invece è lecito supporre che la moneta sia truccata.

Gli studenti (e il pubblico in generale) hanno spesso difficoltà a comprendere il punto di vista statistico e guardano all’uso di questi strumenti in modo sospettoso. I test di scelta e il test del chi-quadro sono una grande opportunità per illustrare come le statistiche possono essere utili. Ecco un esempio: immagina di testare la preferenza di 10 insetti per i semi di girasole vs. i semi di zucca. Se gli insetti non hanno davvero preferenze, dovresti aspettarti che vadano da ogni parte altrettanto spesso: 50/50.

Per 10 test, ciò significherebbe risultati che sono 5 scelte di girasole e 5 di zucca. Ma se gli insetti vanno casualmente a sinistra o a destra senza preoccuparsi davvero dei semi, non è così improbabile che otterrai 6 di uno e 4 dell’altro (come è probabile che, se lanci una moneta 10 volte, non otterrai sempre 5 teste e 5 croci). Un test statistico – ne esistono di più tipi – ti dice quanta fiducia dovresti avere del fatto che in un risultato casuale non ci siano invece nascoste delle differenze reali.

I dadi sono un ottimo strumento per imparare a usare i test statistici.

La maggior parte dei test statistici forniscono come risultato un numero chiamato valore p. È utile pensare a un valore p come la probabilità che il risultato ottenuto da un esperimento sia dovuto solo al caso e che non ci sia davvero alcuna differenza (nelle preferenze dei tuoi insetti, se continuiamo il nostro esempio). In altre parole, il test può anche essere usato per dire se i risultati sono diversi dalle aspettative. Allo stesso modo, se esegui due esperimenti correlati, un test statistico può darti una certa misura di fiducia, indipendentemente dal fatto che i risultati dei due siano diversi l’uno dall’altro.

Per usare il test del chi-quadro, i risultati devono essere sotto forma di tabella. È utile organizzare i diversi risultati come righe. Ad esempio, se 12 insetti sono finiti nella camera A e 3 insetti sono finiti nella camera B, crea righe etichettate con A e B. La tabella necessita anche di almeno 2 colonne. Tuttavia, una di queste può essere quella dei risultati da te attesi piuttosto che dei conteggi effettivi.

Se gli insetti non hanno preferenze per le camere A o B, ci si aspetta che entrino in ciascuna con uguale probabilità, dandoci un risultato di 50/50. Se abbiamo fatto entrare 15 insetti nella camera, quindi ci aspetteremmo 7,5 insetti in A e 7,5 insetti in B. Ovviamente, non puoi avere mezzo insetto, ma i numeri dispari qui aiutano a sottolineare che questa è un’aspettativa, non un risultato reale. Quindi la tabella con i risultati osservati sperimentalmente e quelli invece attesi potrebbe apparire così:

Per effettuare il test “a mano”, devi capire due cose: i gradi di libertà nei tuoi dati e la statistica del chi-quadro. I gradi di libertà (d_f) sono solo uno in meno rispetto al numero di risultati ottenuti. Quindi, se hai due risultati, allora d_f = 1. Il calcolo della statistica del chi-quadro comporta semplici calcoli. Innanzitutto, trova la deviazione dei due risultati (osservati – previsti) per ciascun risultato (camera A e camera B).

Facendo questo su un foglio di carta o su un foglio di calcolo Excel, è conveniente scrivere questi valori in un’altra colonna denominata “deviazioni”, “d” o “O-E”. Successivamente, calcola il quadrato di tali deviazioni, cioè moltiplica il numero per se stesso. Dopodiché dividi le deviazioni al quadrato per i valori attesi per ogni risultato (è utile aggiungere colonne alla tabella per ciascuno di questi passaggi). Infine, aggiungi ciascuno di questi ultimi valori. Il risultato è una statistica del chi-quadro.

A questo punto dovrai consultare una tabella di distribuzione del chi-quadro, come quella in questa pagina, per determinare il valore p corrispondente per la tua statistica del chi-quadro e gradi di libertà. Ma ecco una scorciatoia: d_f = 1 e il tuo chi-quadro è superiore a 3,84, allora il valore p è inferiore a 0,05. Alla fine, dovresti avere una tabella nelle tue note che assomiglia a questa:

Gli stessi calcoli funzioneranno se desideri confrontare i risultati di due esperimenti. In tal caso, piuttosto che avere risultati “osservati” e “previsti”, si ottengono risultati da “esperimento 1” e “esperimento 2”. Puoi trovare il valore p preciso usando Excel. La funzione CHI.TEST (R1, R2) partirà dai tuoi risultati originali, mentre CHI.DIST.RT (x, df) usa la statistica del tuo chi-quadro ed i tuoi gradi di libertà. Tutte e due le funzioni restituiranno il corrispondente valore p.

Inoltre, diversi siti web ti consentiranno di eseguire il test del chi-quadro a partire dai tuoi dati. Questi tool possono essere usati se si desidera semplicemente introdurre l’uso delle statistiche senza che gli studenti svolgano la parte matematica, cioè i calcoli. Il sito web GraphPad consente, inoltre, di utilizzare il test del chi-quadro per più di 2 gruppi di risultati (e più di 2 risultati), se è necessario farlo.

I valori di p e la significatività biologica

Cosa significa un valore di p? E come dovrebbe essere interpretato? Un modo utile di pensare a p è la probabilità che non ci sia vera differenza tra i due gruppi di risultati. Quindi, un basso valore di p significa che è improbabile che non esista alcuna differenza, ovvero che probabilmente i risultati dei due gruppi sono differenti. Tradizionalmente, 0,05 è preso come valore p critico per trarre conclusioni: se un test produce un p <0,05, si dice che i risultati sono significativamente diversi.

La riga evidenziata mostra i valori critici del chi-quadro.

Ciò che il valore p non può dire, invece, è se il risultato è biologicamente significativo. Potrebbe certamente essere possibile che i valori che non raggiungono la significatività statistica contino ancora per gli organismi. Al contrario, alcune differenze misurabili possono essere irrilevante nella vita reale. Ciò non vuol dire respingere l’utilità delle statistiche. Ma i risultati dei test devono essere considerati nel contesto.

Ci sono anche situazioni in cui una persona potrebbe non voler utilizzare 0,05 come valore critico per il processo decisionale, bensì uno più piccolo. E se stessi ad esempio testando l’efficacia di un nuovo farmaco per curare il cancro? E se stavi testando le prestazioni di un motore aereo? Chiedi agli studenti quali situazioni potrebbero richiedere valori p più rigorosi (in altre parole, più piccoli).