Skúmam mravce
v púšti, v tropickom lese,
v mojej kuchyni
aj v kopcoch okolo Silicon Valley, kde momentálne žijem.
Len nedávno som pochopila, že mravce
interagujú rozdielne
v rozdielnych prostriediach
a to ma prinútilo zamyslieť sa, že by sme sa z toho mohli niečo naučiť
o iných systémoch,
ako sú mozgy a dátové siete, ktoré vytvárame,
či dokonca o rakovine.
To, čo majú všetky tieto systémy spoločné,
je, že v nich neexistuje centrálne ovládanie.
Mravčia kolónia sa skladá z neplodných robotníc —
to sú tie mravce, ktoré vidíte pobehovať —
a z jednej alebo viacerých plodných samíc,
ktoré proste len kladú vajíčka.
Nevydávajú žiadne príkazy.
A aj keď ich nazývame kráľovné,
nikomu nehovoria, čo má kto robiť.
Takže v mravčej kolónii nikto nie je šéfom
a všetky takéto systémy bez centrálnej kontroly
sú regulované s použitím veľmi jednoduchých interakcií.
Mravce interagujú pomocou vôní.
Dokážu cítiť pachy pomocou tykadiel
a preto aj interagujú pomocou tykadiel,
takže keď sa mravec dotkne druhého pomocou tykadiel,
môže mu to napríklad povedať, či je daný mravec
z jeho vlastnej kolónie
a akú úlohu tento ďalší mravec vykonáva.
Tu môžete vidieť množstvo mravcov, ktoré pobehujú
a interagujú v laboratórnej aréne,
ktorá je potrubím spojená s ďalšími dvoma arénami.
Takže keď mravec stretne druhého mravca,
a je jedno, akého mravca stretne,
dá sa povedať, že nevysielajú
žiadne komplikované signály ani správy.
Pre mravcov je najdôležitejšie, s akou frekvenciou
sa stretávajú s ostatnými mravcami.
A všetky tieto interakcie, keď sa vezmú dohromady,
vytvárajú sieť.
Takže toto je sieť mravcov,
ktorých ste práve videli, ako sa pohybujú v priestore,
a je to práve táto neustále sa meniaca sieť,
ktorá určuje chovanie kolónie,
ako napríklad, či sa všetky mravce schovávajú v mravenisku
alebo koľko z nich sa vydá von zháňať potravu.
Mozog v podstate pracuje na tom istom princípe,
ale na mravcoch je skvelé to,
že tu môžete vidieť celú sieť v reálnom čase.
Na svete je viac ako 12 000 druhov mracov,
sú v každom predstaviteľnom prostredí
a menia spôsob spoločnej interakcie
podľa rozdielnych nárokov ich životného prostredia.
Jednou dôležitou výzvou prostredia,
ktorú musí každý systém riešiť,
sú náklady na prevádzku -- jednoducho, čo to stojí
udržať takýto systém v chode.
Ďalšou výzvou životného prostredia sú zdroje,
ich vyhľadanie a zber.
Prevádzkové náklady v púšti si vysoké,
pretože voda je vzácna,
a tak musí druh mravcov živiaci sa semenami, ktorý študujem v púšti,
míňať vodu, aby získal vodu.
Takže mravec, ktorý vonku zháňa potravu
a hľadá semená na horúcom slnku,
proste stráca vodu odparovaním do vzduchu.
Ale kolónia získa svoju stratenú vodu
metabolickou premenou tukov v semenách,
ktoré konzumujú.
Takže v tomto prostredí sa interakcie využívajú
na zahájanie zberu potravy.
Preto zberač potravy nevyjde z mraveniska,
kým nedostane dostatok podnetov od vracajúcich sa zberačov.
Tu môžete vidieť vracajúcich sa zberačov,
ktorí vchádzajú tunelom do mraveniska
a stretávajú sa so zberačmi, ktorí sú na ceste von.
Pre kolóniu to dáva zmysel,
pretože o čo viac potravy sa vonku nachádza,
o to rýchlejšie ju zberači nájdu,
o to rýchlejšie sa vrátia späť
a o to viac zberačov sa vyberie von.
Celý system je pozastavený,
až kým nenastane nejaký pozitívny podnet.
Takže interakcie slúžia na aktiváciu zberačov.
A my študujeme vývoj celého tohto systému.
Po prvé si treba uvedomiť, že sú tu rozdiely.
Ukazuje sa, že kolónie sú rozdielne.
V suchých dňoch niektoré kolónie zbierajú menej,
takže kolónie sa odlišujú v tom,
ako spravujú túto výmenu
medzi vodou, ktorú minú na získanie semien,
a vodou, ktorú získajú späť vo forme semien.
A my sa snažíme pochopiť, prečo
niektoré kolónie zbierajú potravu menej ako druhé,
a to tak, že o týchto mravcoch rozmýšľame ako o neurónoch
a používame modely z neurológie.
Rovnako ako neurón vyhodnotí svoju stimuláciu
od iného neurónu a rozhodne sa, či ju má poslať ďalej,
mravec vyhodnotí podnety od druhého mravca
a rozhodne sa, či pôjde von zbierať potravu.
My sa snažíme zistiť, či by mohli byť
medzi kolóniami malé rozdiely v tom,
koľko interakcii potrebuje každý mravec,
kým sa vyberie von na zber potravy,
pretože takáto kolónia by zberala menej.
A to prináša analogickú otázku ohľadom mozgu.
Hovoríme o mozgu,
ale je samozrejmé, že každý mozog je trochu iný
a možno sú niektorí jednotlivci
alebo niektoré podmienky,
v ktorých sú elektrické vlastnosti neurónov také,
že potrebujú viac stimulácie, aby reagovali,
a to by viedlo k rozdielom v mozgovej činnosti.
Ak sa teda chceme pýtať evolučné otázky,
potrebujeme vedieť o úspešnosti rozmnožovania.
Toto je mapa štúdie priestranstva,
na ktorom som sledovala túto populáciu
kolónií mravcov-zberačov počas 28 rokov,
čo je asi priemerná dĺžka života kolónie.
Každý symbol reprezentuje jednu kolóniu
a veľkosť symbolu určuje, koľko dcérskych kolónií kolónia mala,
pretože sme použili genetickú rozmanitosť,
aby sme určili vzťah materských a dcérskych kolónií,
a teda zistili, ktoré kolónie
boli založené dcérskou kráľovnou
a z ktorej materskej kolónie táto kráľovná pochádzala.
A čo ma po všetkých týchto rokoch naozaj ohromilo,
bolo zistenie, že napríklad kolónia 154,
ktorú sme dobre poznali už toľko rokov,
je vlastne pramatkou.
Tu vidíme jej dcérsku kolóniu,
tu vidíme vnučky tejto kolónie
a toto sú jej pravnučky.
Pri tomto výskume som pochopila,
že dcérske kolónie sa podobajú na materské kolónie
v rozhodovaní o tom, ktoré dni sú tak horúce,
že nezberajú potravu.
Dcérske kolónie a materské kolónie
žijú od seba tak ďaleko, že samotné mravce sa nikdy nestretnú,
takže mravce dcérskej kolónie
sa to nemôžu učiť od mravcov z materskej kolónie.
Takže naším ďalším krokom je hľadať
nejakú genetickú rozdielnosť, ktorá vytvára základ tejto podobnosti.
Potom som sa mohla opýtať: ktoré kolónie sú na tom lepšie?
Počas celej doby tejto štúdie,
a hlavne za posledných 10 rokov,
boli obdobia veľkého sucha
na území juhozápadu Spojených štátov
a ukazuje sa, že kolónie, ktoré šetria vodu tým,
zostávajú v mravenisku, keď je vonku naozaj teplo,
a teda obetujú maximálny zber potravy,
sú práve tie, ktoré budú mať s väčšou pravdepodobnosťou dcérske kolónie.
Celý čas som si myslela, že kolónia 154
je na tom zle, pretože počas naozaj horúcich dní
zbierali potravu len minimálne,
zatiaľ čo ostatné kolónie behali vonku,
zbierali, zhromažďovali množstvo potravy,
ale pravda je taká, že kolónia 154 je veľmi úspešná.
Ona je vládcom.
Ona je jedna z mála pra-pramatiek kolónií v danom priestore.
Pokiaľ viem, toto bolo prvý krát,
čo sme boli schopní sledovať
prebiehajúcu evolúciu hromadného správania
v prirodzenej populácii zvierat
a zistili sme, čo vlastne funguje najlepšie.
Internet používa algoritmus,
aby reguloval tok dát,
a ten je veľmi podobný algoritmu,
ktorý používajú zberači v mravenisku na reguláciu
množstva zberačov.
Viete, ako voláme tuto analógiu?
Prichádza "mravcoweb".
(INTERNET - ANTERNET) (Potlesk)
Znamená to, že údaje neodchádzajú zo zdrojového počítača
bez toho, aby dostali signál, že je voľné dostatočne široké pásmo,
aby údaje mohli pretekať.
V počiatkoch internetu,
keď prevádzkové náklady boli vysoké
a bolo naozaj dôležité, aby sa údaje nestrácali,
bol systém nastavený tak, aby vzájomné pôsobenie
aktivovalo tok údajov.
Je zaujímavé, že mravce používajú algoritmus,
ktorý je tak podobný algoritmu objavenému len nedávno,
toto je však iba jeden z mravčích algoritmov,
o ktorých vieme,
a pri tom mravce mali 130 miliónov rokov,
aby vyvinuli množstvo dobrých algoritmov,
a preto myslím, že je veľmi pravdepodobné,
že niektoré z ďalších 12000 druhov mravcov
budú mať tiež zaujímavé algoritmy
pre dátové siete,
o ktorých sme ešte ani len nepremýšľali.
Čo sa teda stane, keď sú prevádzkové náklady nízke?
Toto sa týka mravcov v trópoch, pretože
kvôli veľkej vlhkosti je pre mravcov jednoduché
vyrážať na prechádzky mimo mraveniska.
Ale mravce v trópoch sú také početné
a rozmanité,
že dochádza ku konkurenčnému boju.
Akýkoľvek zdroj jeden druh používa,
iný druh ho bude chcieť používať
tiež.
Takže v tomto prostredí sa vzájomné interakcie
využívajú opačným spôsobom.
Takýto systém funguje,
kým sa nestane niečo zlé,
a jeden z druhov, ktoré študujem, robí okruhy
zbierajúcich mravcov v korunách stromov,
chodiacich od mraveniska k zdroju potravy a späť,
stále dookola,
až kým sa nestane niečo negatívne,
ako napríklad interakcia
s mravcami z iného druhu.
Tu vidíme príklad, ako funguje mravčia ochranka.
V strede je mravec,
ktorý upcháva vchod do mraveniska hlavou
ako reakciu na stretnutie s iným mravčím druhom.
Sú to tie malé mravce, ktoré pobehujú
s bruškami zdvihnutými do vzduchu.
Ale hneď ako hrozba pominie,
vchod sa opäť otvorí.
Možno by sme našli podobné situácie
v počítačovej bezpečnosti,
kde sú prevádzkové náklady dosť nízke na to,
aby sme mohli blokovať prístup len dočasne,
ako odpoveď na momentálne nebezpečenstvo,
a potom sme ho mohli zase otvoriť
namiesto snaženia sa stavať
trvalé firewally či pevnosti.
Ďalšia enviromentálna výzva,
s ktorou sa musia vysporiadať všetky systémy,
sú zdroje, ich objavenie a zber.
Aby to mravce dosiahli, riešia problém
kolektívneho hľadania,
a to je problematika, o ktorú sa práve teraz veľmi
zaujíma robotika,
pretože chápeme to,
že skôr ako posielať jediného
dômyselného, drahého robota
na prieskum inej planéty
alebo na prieskum horiacej budovy
by bolo možno efektívnejšie
poslať skupinu lacných robotov,
ktorí si vymieňajú iba minimum informácii,
a to je presne spôsob, ako to robia mravce.
Útočný argentínsky mravec
vytvára rozšíriteľné siete hľadania.
Veľmi dobre zvládajú hlavný problém
spoločného hľadania,
ktorým je kompromis medzi
veľmi dôsledným hľadaním
a pokrytím čo najväčšej časti územia.
Robia to tak,
že keď je veľa mravcov na malom území,
tak môže každý z nich hľadať veľmi dôsledne,
pretože nablízku bude ďalší mravec,
ktorý prehľadá vedľajšie územie,
ale keď hľadá len niekoľko mravcov
na veľkom území,
tak musia rozšíriť svoju plochu hľadania
aby preskúmali väčšie územie.
Myslím, že používajú interakcie, aby posúdili, koľko ich je v priestore,
takže keď sú naozaj prehustení,
stretávajú sa častejšie
a začnú prehľadávať dôslednejšie.
Rozdielne druhy mravcov musia používať rozdielne algoritmy,
pretože sa vyvinuli na vysporiadanie sa
s rôznymi zdrojmi.
Bolo by naozaj užitočné vedieť o tom,
a tak sme nedávno požiadali mravce,
aby vyriešili problém kolektívneho hľadania
v extrémnom prostredí
mikrogravitácie
na palube Medzinárodnej kozmickej stanice.
Keď som prvýkrát videla tento obrázok, pomyslela som si:
Ach, nie, namontovali mravčí habitat zvislo,
ale potom som pochopila, že je to, samozrejme, jedno.
Myšlienka tohto pokusu je v tom, že mravce
sa všemocne snažia udržať
na stene alebo podlahe alebo to nazvite ako chcete,
že je menej pravdepodobné, že budú vzájomne na seba pôsobiť,
a teda vzťah medzi tým,
ako sú mravce nahusto a ako často sa stretávajú,
by bol narušený.
Stále ešte analyzujeme údaje.
Nemám ešte výsledky.
Ale bolo by zaujímavé vedieť,
ako tento problém riešia iné druhy
v rozdielnych prostrediach na zemi,
takže začíname s programom,
ktorý podnecuje deti z celého sveta,
aby vyskúšali tento experiment s rozdielnymi druhmi.
Je to veľmi jednoduché.
Dá sa to urobiť s lacnými materiálmi.
Týmto spôsobom by sme mohli vytvoriť celosvetovú mapu
mravčích algoritmov spoločného hľadania.
A myslím, že je dosť pravdepodobné, že útočné druhy,
tie, ktoré prichádzajú do našich domov,
budú v tomto veľmi dobré,
keďže sú vo vašej kuchyni
preto, že sú naozaj dobré v hľadaní potravy a vody.
Najznámejší zdroj potravy pre mravce
je piknik
a treba povedať, že je to rozdrobený zdroj.
Ak je tam jeden kúsok ovocia,
je pravdepodobné, že neďaleko bude ďalší,
a mravce, ktoré sa špecializujú na takéto zdroje,
využijú interakcie na zapojenie ďalších mravcov.
A tak, keď jeden mravec stretne druhého
alebo keď nájde na zemi chemickú stopu vytvorenú
na zemi iným mravcom,
tak zmení smer, ktorý nasleduje,
na smer interakcie,
a tak sa vám stane, že zrazu máte zástup mravcov,
ktorí sa chcú tiež pohostiť na vašom pikniku.
Toto je miesto, kde si myslím, že by sme mohli byť schopní
sa od mravcov naučiť niečo o rakovine.
Za prvé si myslím, že by sme mohli veľa urobiť
na prevenciu rakoviny,
a to tak, že by sme ľudom nedovolili rozširovať
alebo predávať toxíny, ktoré podporujú
vývoj rakoviny v našom tele,
ale v tom nám asi mravce veľmi nepomôžu,
pretože oni si svoje kolónie nikdy neotrávia.
Ale niečo by sme sa od mravcov mohli naučiť
o liečbe rakoviny.
Je veľa druhov rakoviny.
Každá začína na špecifickom mieste v tele
a potom sa niektoré druhy rakoviny rozšíria
alebo tvoria metastázy v špecifických tkanivách,
kde musia dostávať potrebné živiny.
Keď sa nad tým zamyslíte z tohto hľadiska,
že metastázové rakovinové bunky,
ktoré sa pohybujú telom
a hľadajú zdroje, ktoré potrebujú,
ak sú tie zdroje zhustené,
pravdepodobne použijú interakcie na nábor,
a keby sme zistili, ako sa rakovinové bunky zvolávajú,
možno by sme mohli nastaviť pasce
a pochytať ich, kým sa usadia.
Takže mravce používajú interakcie rozdielnymi spôsobmi,
vo veľkom množstve prostredí
a my by sme sa z tohto mohli naučiť
o iných systémov, ktoré pracujú
bez centrálnej kontroly.
Používaním iba jednoduchých interakcii
mravčie kolónie predvádzajú
úžasné skutky už viac ako 130 miliónov rokov.
Máme sa od nich veľa čo učiť.
Ďakujem.
(Potlesk)