Ich erforsche Ameisen
in der Wüste, im Regenwald
und in meiner Küche
sowie in den Hügeln rund um das Silicon Valley, wo ich lebe.
Vor Kurzem wurde mir klar,
dass Ameisen je nach Umgebung
unterschiedlich interagieren
und mir kam der Gedanke, daraus etwas über
andere Systeme lernen zu können,
wie Gehirne und Datennetzwerke, die wir entwickeln,
und sogar Krebs.
All diese Systeme haben gemeinsam,
dass es keine zentrale Kontrolle gibt.
Eine Ameisenkolonie besteht aus unfruchtbaren Arbeiterinnen --
diese Ameisen sehen Sie umherlaufen --
und ein oder mehrere fruchtbare Weibchen,
die nur Eier legen.
Sie geben keine Anweisungen.
Auch wenn sie Königinnen heißen,
sagen sie niemandem, was zu tun ist.
In einer Ameisenkolonie hat also niemand das Sagen,
und Systeme wie dieses, ohne zentrale Kontrolle,
werden durch ganz einfache Interaktionen gesteuert.
Ameisen interagieren durch ihren Geruchssinn.
Sie riechen mit ihren Fühlern,
sie interagieren mit ihren Fühlern.
Wenn sich zwei Ameisen also mit ihren Fühlern berühren,
wissen sie zum Beispiel,
ob sie zur gleichen Kolonie gehören
und welche Arbeit sie jeweils verrichtet haben.
Hier sehen Sie viele Ameisen,
die im Laborbereich herumlaufen und interagieren.
Dieser Bereich ist durch Röhren mit zwei anderen Bereichen verbunden.
Wenn eine Ameise auf eine andere trifft,
geht es nicht darum, welche Ameise das ist,
und sie übertragen eigentlich
kein kompliziertes Signal und keine Nachricht.
Wichtig ist nur die Frequenz,
mit der sie aufeinandertreffen.
All diese Interaktionen zusammen
ergeben ein Netzwerk.
Das ist das Netzwerk der Ameisen,
die Sie eben im Laborbereich in Bewegung gesehen haben,
und dieses sich ständig verändernde Netzwerk
führt zum Verhalten der Kolonie,
zum Beispiel ob sich alle Ameisen im Nest verstecken,
oder wie viele draußen nach Futter suchen.
Ein Gehirn funktioniert ebenso,
das Tolle an Ameisen ist aber,
dass man das ganze Netzwerk direkt beobachten kann.
Es gibt mehr als 12 000 Ameisenarten
in jeder erdenklichen Umgebung,
die unterschiedlich interagieren,
um umweltbedingte Herausforderungen zu bewältigen.
Eine wichtige umweltbedingte Herausforderung,
die jedes System betrifft,
sind die Betriebskosten, also was man braucht,
damit das System funktioniert.
Eine andere umweltbedingte Herausforderung
ist das Finden und Sammeln von Ressourcen.
In der Wüste sind die Betriebskosten hoch,
da Wasser selten ist.
Die samenfressenden Wüstenameisen, die ich erforsche,
müssen Wasser verbrauchen, um Wasser zu bekommen.
Eine Ameise, die draußen
in der heißen Sonne nach Samen sucht,
verliert einfach Wasser an die Luft.
Aber die Kolonie gewinnt Wasser
durch Umwandlung von Fett aus Samen,
die die Ameisen fressen.
In diesem Umfeld dienen Interaktionen dazu,
die Futtersuche anzuregen.
Eine Ameise geht erst nach genug Interaktionen
mit heimkehrenden Ameisen auf Futtersuche.
Hier sehen Sie die heimkehrenden Ameisen,
im Gang, im Nest,
die hinauslaufende Ameisen treffen.
Das ist in einer Kolonie sinnvoll,
denn je mehr Futter da draußen ist,
desto schneller finden die Ameisen es
und kommen zurück,
und desto mehr Ameisen schicken sie hinaus.
Das System bleibt im Stillstand,
bis etwas Positives passiert.
Interaktionen aktivieren also die Futter suchenden Ameisen.
Wir haben die Entwicklung dieses Systems erforscht.
Es gibt Abweichungen.
Es zeigt sich, dass Kolonien unterschiedlich sind.
An trockenen Tagen suchen manche seltener nach Futter.
Es ist also unterschiedlich,
wie Kolonien den Ausgleich
zwischen dem Wasserverbrauch bei der Suche nach Samen
und der Wassergewinnung durch die Samen schaffen.
Und wir versuchen zu verstehen,
warum manche Völker weniger suchen als andere,
indem wir Ameisen als Neuronen sehen
und Modelle der Neurowissenschaft verwenden.
Neuronen addieren Stimulationen durch andere Neuronen,
um zu entscheiden, ob sie feuern --
genauso addieren Ameisen Stimulationen durch andere Ameisen,
um zu entscheiden, ob sie Futter suchen.
Wir wollen herausfinden,
ob es Unterschiede zwischen Völkern gibt,
wie viele Interaktionen jede Ameise benötigt,
bevor sie draußen nach Futter sucht,
weil ein solches Volk weniger oft nach Futter sucht.
Das wirft eine analoge Frage über Gehirne auf.
Wir sprechen über das Gehirn,
aber natürlich ist jedes Gehirn ein wenig anders.
Vielleicht gibt es Personen
oder Umstände,
unter denen die elektrischen Eigenschaften von Neuronen
mehr Anreiz brauchen, um zu feuern,
und das würde zu Unterschieden der Gehirnfunktion führen.
Um evolutionäre Fragen zu stellen,
müssen wir über Fortpflanzungserfolg Bescheid wissen.
Das ist die Karte eines Beobachtungsgeländes,
an dem ich eine Population
von Ernteameisen-Kolonien 28 Jahre lang beobachtete.
So lange lebt eine Kolonie etwa.
Jedes Symbol ist ein Volk,
und die Größe des Symbols stellt dar, wie viele Nachkommen es hatte,
denn durch genetische Variationen
konnten wir Mutter- und Tochter-Kolonien einander zuordnen,
also feststellen, welche Kolonien von
einer Tochterkönigin gegründet wurden
und von welcher Mutterkolonie sie stammt.
Nach all diesen Jahren war ich erstaunt,
beispielsweise herauszufinden, dass Kolonie 154,
die ich viele Jahre gut gekannt hatte,
eine Urgroßmutter ist.
Das hier ist ihre Tochterkolonie,
das hier ist ihre Tochterkolonie zweiter Generation,
und dies die Tochterkolonien dritter Generation.
Dadurch habe ich herausgefunden,
dass nachkommende Kolonien den Mutterkolonien ähneln,
wenn sie entscheiden,
welche Tage zu heiß für die Futtersuche sind.
Nachkommen der Mutterkolonien
leben so weit von ihr entfernt, dass sich die Ameisen nie treffen,
also können die Ameisen der Tochterkolonie
es nicht von der Mutterkolonie lernen.
Unser nächster Schritt ist,
nach der genetischen Variation zu suchen, die dieser Ähnlichkeit zugrunde liegt.
Dann konnte ich fragen: Wer macht es besser?
Im Laufe der Studie,
vor allem in den letzten 10 Jahren,
gab es eine ernste und schlimmer werdende Dürre
im Südwesten der USA.
Es zeigt sich, dass es bei Kolonien, die Wasser sparen,
die drinnen bleiben, wenn es draußen wirklich heiß ist,
und somit nicht so viel Futter wie möglich sammeln,
wahrscheinlicher ist, dass sie Tochterkolonien gründen.
Ich hielt die Kolonie 154 die ganze Zeit für einen Verlierer,
denn an sehr heißen Tagen
suchten nur wenige Ameisen nach Futter,
während die anderen Kolonien
draußen waren, viel Futter sammelten,
aber tatsächlich ist Kolonie 154 ein großer Erfolg.
Sie ist eine Matriarchin.
Sie ist eine der seltenen Urgroßmütter auf dem Beobachtungsplatz.
Meines Wissens haben wir es zum ersten Mal geschafft,
die laufende Entwicklung kollektiven Verhaltens
bei einer natürlichen Population von Tieren
zu verfolgen und herauszufinden, was am besten funktioniert.
Das Internet verwendet einen Algorithmus
zur Steuerung des Datenflusses,
der jenem sehr ähnlich ist,
den Ernteameisen zur Steuerung des Flusses
Futter suchender Ameisen nutzen.
Und raten Sie, wie wir diese Analogie nennen?
Das Anternet kommt. [ant = Ameise]
(Applaus)
Daten verlassen den Ursprungscomputer nicht,
bevor ein Signal kommt, dass genug Bandbreite vorhanden ist,
um weitergeleitet zu werden.
Zur Anfangszeit des Internets,
als die Betriebskosten sehr hoch waren
und es sehr wichtig war, keine Daten zu verlieren,
war das System auf Interaktion ausgerichtet,
um den Datenfluss zu aktivieren.
Interessanterweise verwenden Ameisen einen Algorithmus,
der jenem sehr ähnelt, den wir kürzlich erfunden haben,
aber das ist nur einer von einer Handvoll Ameisenalgorithmen,
die wir kennen,
und Ameisen hatten 130 Millionen Jahre Zeit,
viele gute zu entwickeln.
Es ist sehr wahrscheinlich,
dass einige der anderen 12 000 Arten
interessante Algorithmen für
Datennetzwerke haben,
an die wir noch nicht einmal gedacht haben.
Was aber passiert, wenn die Betriebskosten niedrig sind?
In den Tropen ist es
sehr feucht und einfach
für die Ameisen, draußen herumzulaufen.
Aber in den Tropen sind Ameisen
so häufig und vielfältig,
dass es viel Wettbewerb gibt.
Nutzt eine Art eine Ressource,
wird wahrscheinlich eine andere Art diese Ressource
zur gleichen Zeit nutzen.
In dieser Umgebung werden Interaktionen
umgekehrt eingesetzt.
Das System läuft,
bis etwas Negatives geschieht.
Eine Art, die ich erforsche, macht Kreise
auf den Bäumen Futter suchender Ameisen,
vom Nest zu einer Futterquelle und zurück,
immer im Kreis,
bis etwas Negatives geschieht,
wie eine Interaktion
mit Ameisen einer anderen Art.
Hier ist ein Beispiel von Ameisensicherheit.
In der Mitte ist eine Ameise,
die den Eingang mit ihrem Kopf blockiert,
als Reaktion auf Interaktionen mit anderen Arten.
Das sind die kleinen,
die mit erhobenen Hinterleibern herumlaufen.
Aber sobald die Gefahr vorüber ist,
ist der Eingang wieder offen.
Vielleicht gibt es Situationen
in der Computersicherheit,
in denen die Betriebskosten niedrig genug sind,
sodass wir den Zugang vorübergehend blockieren könnten,
um auf eine unmittelbare Gefahr zu reagieren,
und ihn dann wieder öffnen,
statt es mit dem Aufbau
einer dauerhaften Firewall oder Festung zu versuchen.
Eine andere Herausforderung der Umwelt,
die alle Systeme betrifft,
ist das Finden und Sammeln von Ressourcen.
Dazu lösen Ameisen das Problem
der kollektiven Suche,
und dieses Problem ist im Bereich
Robotik gerade hochaktuell.
Wir haben Folgendes gelernt:
Anstatt einen einzelnen,
komplexen, teuren Roboter einzusetzen,
um andere Planeten zu erforschen
oder ein brennendes Gebäude abzusuchen,
ist es vielleicht besser,
eine Gruppe billigerer Roboter dazu zu bringen,
nur minimale Informationen auszutauschen --
und so machen es Ameisen.
Die invasive Argentinische Ameise
formt erweiterbare Suchnetzwerke.
Sie sind gut im Umgang mit dem Hauptproblem
der kollektiven Suche,
nämlich dem Kompromiss zwischen
einer sehr genauen Suche
und dem Absuchen von großen Gebieten.
Sie tun Folgendes:
Wenn viele Ameisen auf engem Raum sind,
kann jede von ihnen sehr genau suchen,
weil daneben eine andere ist,
die weiter drüben sucht.
Aber wenn wenige Ameisen
auf großem Raum sind,
müssen sie ihre Wege ausweiten,
um ein größeres Gebiet abzudecken.
Ich denke, dass sie durch Interaktion die Dichte abschätzen,
wenn es also eng ist,
treffen sie sich öfter
und suchen gründlicher.
Ameisenarten müssen unterschiedliche Algorithmen einsetzen,
da sie im Laufe der Evolution
mit unterschiedlichen Ressourcen umgehen mussten.
Dieses Wissen könnte sehr nützlich sein,
und deshalb ließen wir vor Kurzem
Ameisen das Problem der kollektiven Suche
im extremen Umfeld
der Mikroschwerkraft
in der Internationalen Raumstation lösen.
Zuerst dachte ich bei dem Bild:
"Oh nein, sie bewegen sich vertikal in ihrem Lebensraum",
aber dann merkte ich, dass es ja nichts macht.
Die Idee dahinter ist, dass Ameisen
sich so anstrengen, sich an der Wand
oder dem Boden oder anderen Stellen festzuhalten,
dass sie mit geringerer Wahrscheinlichkeit interagieren.
Das Verhältnis davon,
wie eng es ist und wie oft sie sich treffen,
wird durcheinandergebracht.
Die Datenanalyse läuft noch.
Ich habe noch keine Ergebnisse.
Aber es wäre interessant zu wissen,
wie andere Arten dieses Problem
in unterschiedlichen Umgebungen der Erde lösen.
Wir starten gerade ein Programm,
um Kinder weltweit dazu zu bringen,
das Experiment mit verschiedenen Arten zu versuchen.
Es ist ganz einfach.
Es reicht billiges Material.
Und so hätten wir eine globale Karte
von Ameisenalgorithmen zur kollektiven Suche.
Ich halte es für wahrscheinlich, dass invasive Arten,
jene, die in unsere Gebäude kommen,
darin sehr gut sind,
denn sie sind in Ihrer Küche,
weil sie sehr gut im Finden von Futter und Wasser sind.
Die bekannteste Ressource für Ameisen
ist ein Picknick,
und es ist eine gebündelte Ressource.
Wo ein Obststück ist,
ist wahrscheinlich auch ein zweites daneben,
und Ameisen, die sich auf gebündelte Ressourcen spezialisieren,
nutzen Interaktionen zur Rekrutierung.
Stößt eine Ameise auf
eine andere, oder eine Chemikalie,
die eine andere dort hinterlassen hat,
ändert sie die Richtung,
um der Interaktionsrichtung zu folgen,
und so kommt es zu Ameisenstraßen
bei Ihrem Picknick.
Ich denke, hier können wir
von Ameisen vielleicht etwas über Krebs lernen.
Es ist offensichtlich, dass wir viel tun könnten,
um Krebs zu verhindern,
indem wir es verbieten, Gifte zu verbreiten
oder zu verkaufen, die die Entstehung
von Krebs in unseren Körpern fördern.
Aber dabei können uns Ameisen nicht viel helfen,
da sie nie ihre eigenen Kolonien vergiften.
Aber wir können vielleicht
von ihnen etwas über Heilung lernen.
Es gibt viele verschiedene Arten von Krebs.
Jede entsteht in einem bestimmten Körperteil,
und dann breiten sich einige Arten aus
oder metastasieren auf anderes Gewebe,
wo sie die Ressourcen bekommen müssen, die sie brauchen.
Stellen Sie sich metastatische Krebszellen
im Frühstadium vor,
die auf der Suche
nach Ressourcen sind, die sie brauchen.
Wenn diese Ressourcen gebündelt sind,
nutzen sie wahrscheinlich Interaktionen zur Rekrutierung.
Wenn wir herausfinden können, wie Krebszellen andere rekrutieren,
dann könnten wir vielleicht Fallen aufstellen,
um sie einzufangen, bevor sie sich niederlassen.
Ameisen interagieren also auf unterschiedliche Weise
in den vielfältigsten Umgebungen,
und wir können daraus etwas
über andere Systeme lernen,
die ohne zentrale Kontrolle funktionieren.
Nur durch einfache Interaktionen
vollbrachten Ameisenkolonien
über 130 Millionen Jahre großartige Leistungen.
Wir können viel von ihnen lernen.
Vielen Dank.
(Applaus)