I cambiamenti nell’ambiente bilanciano l’evoluzione

Tutti siamo molto influenzati da dove siamo cresciuti, anche i batteri. Ma quando l’ambiente cambia, rende la vita—e l’evoluzione—molto più casuali.

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La crescita che congela il cambiamento (nei batteri)

Quando pensiamo all’evoluzione, di solito pensiamo alla selezione naturale, la sopravvivenza del più adatto. Ma non finisce lì. Forze primordiali stanno in agguato sullo sfondo. E quando sparisce la selezione, sono finalmente libere.

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Microscopiche macchine, piccoli numeri, grandi problemi

Cosa succederebbe se potessimo muovere le cose atomo per atomo? Sono decenni che gli scienziati immaginano risposte. E mestieri per i nanorobot, le microscopiche macchine in grado di farlo: ripulire perdite di petrolio, consegnare medicinali esattamente dove serve nel corpo, o distruggere con precisione cellule tumorali.

Le macchine molecolari sono la cosa che più si avvicina a realizzare questo sogno. Ma arrivarci è stato un lungo e difficile percorso.Continua a leggere

Il suono del silenzio

Pensate al posto più silenzioso dove siate mai stati. Ora pensate ad uno ancora più silenzioso. Che rumore fa? Difficile da immaginare, ma fortunatamente la fisica ci può aiutare, ma dobbiamo iniziare da come funziona il suono.

Altoparlanti, corde vocali e strumenti funzionano tutti con lo stesso principio: spingere e tirare l’aria ritmicamente. Le molecole di aria, poi, spingono e tirano le loro vicine, che spingono sulle loro vicine, e così via. L’aria quindi si stira in alcuni punti e si comprime in altri, creando un’onda di pressione. Così nasce un’onda sonora.

Molecules of air

Molecole d’aria che se ne stanno buone, in realtà, si muovono un sacco. CC-BY-SA Greg L, via Commons

Ma se non c’è nulla a muovere l’aria e produrre i suoni? Che rumore fa il silenzio? Esiste o è come chiedersi il colore di una cosa invisibile?

Le molecole d’aria si scontrano tra loro e vibrano di continuo. Semplicemente perché ha una temperatura, l’aria crea per forza microscopiche variazioni di pressione qua e là. Anche il posto più desolato, remoto e tranquillo ha un suono: il suono del silenzio.

Queste collisioni tra molecole sono piuttosto casuali ed indipendenti tra loro. Il suono che producono—il silenzio—è rumore bianco, quello che alcuni usano per rilassarsi o concentrarsi.

L’intensità del silenzio dipende da che finestra di frequenze consideriamo: più è sottile, meno tipi di scontri tra molecole troviamo, e più silenzioso apparirà il silenzio.

Secondo alcuni calcoli, nella fascia in cui gli umani sono più sensibili (attorno all’altezza della nostra voce), l’aria che se ne sta lì fa -20 decibel di rumore. Piuttosto silenzioso. Troppo per noi: è appena udibile per un gufo, un predatore super-specializzato nel silenzio, con un orecchio grande letteralmente quanto la sua faccia.

That big circle around an owl's face funnels sound: it's basically a giant ear. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

La faccia del gufo convoglia tutto il suono dall’ambiente: in pratica è un gigantesco orecchio. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

Se, invece, consideriamo tutta la gamma dell’udito umano, il silenzio si fa molto più rumoroso: circa 0 decibel, che è anche più o meno l’intensità più bassa che possiamo percepire, è circa 3 volte più flebile del rumore di un respiro..

Perciò, il nostro udito può gestire qualcosa appena appena più di silenzio totale, tanto quanto una conversazione—mille volte più rumorosa. Suona bene.

Per saperne di più
  • Come fanno 60 decibel ad essere mille volte più di zero? è che i decibel sono un po’ strani: qui c’è un riassunto di questa ed altre particolarità
  • Che vuol dire “rumore bianco”? Può essere di altri colori?
  • Secondo alcuni il silenzio totale rende pazzi. Agli scienziati non basta sentirlo dire. Devono provarci.

 

Foto copertina: CC0 Sam Halstead, via pixabay.

Chi vince le finali NBA?

Se vi dicessi che potete simulare una partita di NBA (tipo gara 4 delle finali di stanotte) semplicemente lanciando una moneta? Se è testa, segnate due punti per i Cleveland Cavaliers, se è croce per i Golden State Warriors. Ripetete un centinaio di volte… et voilà! Simulata la partita.

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Dentro ci si può vedere tutta una storia: l’inizio equilibrato, una squadra che prende il largo, l’illusoria rimonta e infine la fuga definitiva per la vittoria. Eppure i risultati erano casuali: lanci di monete (virtuali: l’ho fatto fare al computer). Un articolo uscito l’anno scorso su Physical Review E dimostra che, statisticamente, non è poi così sbagliato. Il gruppo di fisici che ha svolto lo studio ha confrontato più di 10mila partite di NBA con un modello teorico.

I ricercatori hanno trattato il punteggio come un random walk (che in italiano ha l’orrendo nome “passeggiata aleatoria”). Il concetto di base è esattamente quello che abbiamo usato per la nostra partita: aggiungere pian piano punti da una parte o dall’altra in base al lancio ripetuto di una moneta.

Ovviamente il basket è più complicato, ma le complicazioni si possono aggiungere al modello base. Ad esempio, usando metodi statistici si può stimare se una squadra è più forte, e tenerne conto usando una moneta che dà testa o croce con probabilità diverse. Così diventa più probabile che i favoriti vincano, anche se non sempre.

Anche all’interno di una partita ci sono cose importanti che possiamo capire meglio con un po’ di teoria, come decidere se un vantaggio è grande abbastanza da garantire ( ragionevolmente) la vittoria. Giocatori, allenatori e analisti hanno i loro sistemi, e gli scienziati hanno sfruttato la teoria dei random walk per calcolarne uno loro. Raccogliendo il vantaggio accumulato e tempo rimasto in un unico parametro, hanno trovato una formula molto più efficace anche del popolarissimo metodo di Bill James.

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La probabilità che la partita sia al sicuro. La linea nera è il modello basato sui random walk, quella blu il metodo di Bill James, i triangoli rossi sono le vere proabilità misurate in NBA. © 2015 American Physical Society, All rights reserved. Riprodotto su licenza da http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.91.062815.

Pur capendo tutto questo, lo sport rimane intrinsecamente imprevedibile. La nostra squadra può vincere contro ogni pronostico (e i tifosi del Leicester ve lo confermeranno), una squadra si può rivelare forte oltre ogni aspettativa. Come dicono anche i ricercatori, sono questi i momenti che ci fanno amare lo sport. Talvolta al punto di scrivere canzoni imbarazzanti sui nostri beniamini.

 

Aggiornamento post-partita: SPOILER!!

Anche se, ovviamente, non ha nessun valore statistico, la partita è finita con un punteggio sorprendentemente simile alla mia previsione.

Foto copertina: Stephen Curry, CC-BY-SA Keith Allison, via Flickr. Some rights reserved.

1+1 fa davvero 2?

Il nostro mondo quotidiano, tutto sommato, non è troppo complicato per la fisica. Dalle ipotesi (solitamente sbagliate) di Aristotele alle leggi di Galileo e Newton abbiamo un’idea abbastanza precisa di come funziona. Con uno studio pubblicato su Nature Communications, un team internazionale guidato da ricercatori italiani ha dimostrato che il mondo microscopico non è altrettanto intuitivo.

Gli scienziati hanno immerso sfere di vetro grandi qualche millesimo di millimetro in un liquido oleoso. In determinate condizioni, l’agitazione delle molecole del liquido crea una forza tra due sferette vicine, un po’ come se ci fosse una molla a collegarle. Ognuna di loro, perciò, sente la spinta della sua vicina. L’effetto è simile a quello dimostrato in questo video (dal minuto 2 circa).

Intuitivamente, aggiungendo un’altra vicina, la nostra sferetta dovrebbe sentire una forza uguale alla somma della spinta delle due vicine. Dopotutto, se sto spingendo un oggetto—tipo un’auto in panne—e chiedo ad un amico di aiutarmi, la forza totale che esercitiamo sull’auto è semplicemente la somma della mia spinta più la sua.

Ma nel mondo microscopico non è così semplice. Il professor Andrea Gambassi della SISSA di Trieste (e uno degli autori dello studio) spiega che, nei loro esperimenti “la forza complessiva che una particella ‘percepisce’ su di sé è diversa dalla somma delle interazioni con ciascuna delle altre due, se queste fossero presenti da sole”. In pratica, la forza di due sferette assieme è diversa dalla somma delle forze che le due eserciterebbero separatamente. 1+1, questa volta, non fa 2.

La forza tra le sferette in funzione della loro distanza. Le linee rappresentano la somma delle forze che le sferette eserciterebbero da sole, i pallini quella misurata. CC-BY Palatugu et al/Nature.

“Conoscere questi effetti è molto importante, sia dal punto di vista della ricerca di base, sia dal punto di vista pratico, per coloro che studiano come creare micro-macchine”, continua Gambassi. La ricerca fa sempre più progressi verso robot microscopici per eseguire operazioni mediche non invasive. “Per capire come i diversi ‘ingranaggi’ interagiscono questa conoscenza è cruciale, soprattutto in presenza di fluidi”.

 

Foto copertina: Floating Balls, CC-BY-NC sibhusky2, via Flickr. Some rights reserved.

Ogni fiocco di neve è unico

Nessun paesaggio natalizio è completo senza neve. Tanta neve. E ogni fiocco di neve è unico, lo sanno tutti! Ma come fanno ad essere tutti diversi?

La neve non è altro che piccolissimi cristalli di ghiaccio, che si formano nelle nuvole e restano ghiacciati finché non arrivano a terra.

L’acqua forma cristalli di ghiaccio attorno a microscopiche imperfezioni o particelle estranee, come granelli di polvere sospesi nella nuvola. Una volta che il nucleo iniziale del fiocco di neve si forma, microscopiche goccioline di acqua gli si aggiungono rapidamente.

Anche se sono tutti in qualche modo esagonali (per via della geometria delle molecole d’acqua), tutti i fiocchi di neve crescono in condizioni appena appena diverse. Qualcuno ha più goccioline vicino, qualcuno è in una zona una frazione di grado più calda. Tutti i fattori contano: la forma del cristallo è sensibile a tutto.

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CC-BY-NC Julie Falk/Flickr

In pratica, la forma di ogni fiocco di neve dipende dal caso, è come lanciare un dado con infinite facce. Non si sa mai cosa salta fuori e tutti i risultati sono diversi. Se vogliamo fare i fisici pomposi, la loro formazione è un processo stocastico.

Alla fine, ogni fiocco è un’istantanea delle precise condizioni in cui si è formato. Siccome è impossibile averle due volte esattamente identiche, ognuno fotografa una scena un po’ diversa.

Come le fotografie, però, anche i fiocchi di neve vengono bene solo se la scena resta abbastanza ferma. Così, se le condizioni in cui si forma il cristallo non rimangono relativamente costanti, tutto diventa più confuso. Nella maggior parte dei casi, i cristalli si aggregano in fiocchi più grossi, come piccole palle di neve, che si assomigliano di più tra loro.

Diversi o no, distinguere un fiocco dall’altro è comunque difficile.

 

Foto copertina: Snow leopards playing in the snow, CC-BY-ND Tambako The Jaguar, via Flickr. Some rights reserved.