На какво ни учат мравките за мозъка, рака и интернет

Екологът Дебора Гордън изучава мравките където може да ги намери – в пустинята, в тропическите гори, в своята кухня... В тази увлекателна беседа Гордън обяснява своето пристрастяване към насекомите, които повечето от нас с удоволствие биха изхвърлили с ръка без да се замислят. Защитава тезата, че животът на мравките е полезен модел за изучаване на много други теми, сред които тези за болестите, технологиите и човешкия мозък.

Изучавам мравките

в пустинята, в тропическата гора,

в кухнята си

и по хълмовете около Силиконовата долина, където живея.

Скоро разбрах, че мравките

си взаимодействат по различен начин

в зависимост от външната среда

и това ме наведе на мисълта, че можем да се поучим този факт

и да го приложим при други системи

като мозъка и информационните мрежи, които проектираме,

и дори при рака.

Общото за всички тези системи е,

че нямат централно управление.

Колонията от мравки се състои от стерилни мравки-работнички –

това са мравките, които виждате да пълзят наоколо –

както и от една или повече плодовити мравки,

които само снасят яйца.

Те не дават нареждания.

Въпреки че се наричат царици,

не казват на никого какво да прави.

В колонията няма управляващ

и всички подобни системи без централно управление

се поддържат в ред чрез много прости взаимодействия.

Мравките използват обонянието си.

Усещат мирис с антените си

и си взаимодействат чрез тях –

когато една мравка докосне друга с антените си,

тя разбира например дали другата мравка

е от същия мравуняк

и каква задача изпълнява.

Тук виждате много мравки да пълзят

и да си взаимодействат в лабораторно пространство,

свързано чрез тръби с две други пространства.

Когато една мравка срещне друга,

няма значение коя е срещнатата мравка,

и на практика мравките не си предават

някакъв сложен сигнал или съобщение.

Единственото, което има значение за мравката, е честотата,

с която среща други мравки.

Всички тези взаимодействия взети заедно

образуват мрежа.

Това е мрежата на мравките,

които току-що видяхте да пълзят в лабораторното пространство,

и тази постоянно променяща се мрежа

представя поведението на колонията –

дали всички мравки се крият в мравуняка

или колко от тях излизат да търсят храна.

Мозъкът на практика работи по същия начин,

но страхотното при мравките е,

че можем да виждаме цялата мрежа в процеса на създаването ѝ.

Съществуват повече от 12 000 вида мравки

при всевъзможни външни условия

и те си взаимодействат по различен начин,

за да посрещат различни предизвикателства на обкръжаващата ги среда.

Едно важно предизвикателство на средата,

с което всяка система трябва да се справи,

са оперативните разходи – колко точно е нужно,

за да работи системата.

Друго предизвикателство на средата са ресурсите –

откриването и натрупването им.

В пустинята оперативните разходи са големи,

защото водата е оскъдна,

и хранещите се със семена мравки в пустинята, които изучавам,

трябва да изразходват вода, за да се сдобият вода.

Една мравка, излязла навън за храна,

търсеща семена под горещото слънце,

просто губи вода от изпарение.

Но колонията получава вода

чрез извличането на мазнините от семената,

които изяжда.

В тази среда се използват взаимодействия,

за да се активира търсенето на храна.

Една мравка-търсач на храна не излиза навън,

ако няма достатъчно взаимодействия с връщащи се търсачи

и това, което виждате, са връщащите се търсачи,

които влизат в тунела, в мравуняка,

срещайки излизащите търсачи по пътя им навън.

Това има смисъл за колонията,

защото колкото повече храна има навън,

толкова по-бързо търсачите я намират,

по-бързо се връщат

и пращат повече търсачи навън.

Системата стои в покой,

освен ако не се случи нещо положително.

Взаимодействията служат за активиране на търсачите.

Ние изучаваме еволюцията на тази система.

Преди всичко има вариация.

Оказва се, че колониите са различни.

В сухите дни някои колонии излизат по-рядко за храна,

тоест колониите се различават по начина

на управление на баланса

между изразходването на вода в търсене на семена

и възвръщането на водата във вид на семена.

Опитваме се да разберем защо

някои колонии търсят храна по-рядко от останалите

чрез сравнението на мравките с неврони,

използвайки модели от невробиологията.

Точно както един неврон натрупва стимулациите си

от други неврони, за да реши дали да се възбуди,

мравката събира стимулации от останалите мравки,

за да реши дали да излезе за храна.

Това, което търсим, е дали би могло да има

малки разлики между колониите

в броя на взаимодействията, от които всяка мравка се нуждае,

за да пожелае да излезе и да търси храна,

защото такава колония би излизала по-рядко.

Това повдига аналогичен въпрос за мозъка.

Говорим за мозъка,

но всеки мозък, разбира се, малко се отличава

и може би има определени хора

или условия,

при които електрическите свойства на невроните са такива,

че са им нужни повече стимули, за да се възбудят,

а това би довело до разлика във функционирането на мозъка.

За да задаваме еволюционни въпроси,

трябва да познаваме репродуктивния успех.

Това е карта на мястото на проучването,

където следя развитието на тази популация

от колонии на мравки-жътварки от 28 години –

това е приблизително продължителността на живота им.

Всеки символ е колония,

а големината на символа показва какво потомство е имала тя,

защото можем да използваме генетична вариация,

за да свържем родителска с потомствена колония,

т.е. да разберем кои колонии

са били основани от царица-дъщеря,

произхождаща от определена родителска колония.

За мен беше удивително след всички тези години

да открия например, че колония 154,

която добре познавам от много години,

е прабаба.

Ето дъщерната ѝ колония,

това е нейната колония-внучка,

а тези колонии са правнучките ѝ.

Благодарение на тези връзки научих,

че потомствените колонии приличат на родителските

в решенията за това кои дни са толкова горещи,

че няма да се излиза за храна.

Потомството на родителските колонии

живее толкова далече, че мравките никога не се срещат

и мравките-потомци

не могат да научат това поведение от родителите си.

Следващата ни стъпка бе да потърсим

генетичната вариация, която стои зад тази прилика.

И тогава можех да попитам, добре, кой се справя по-успешно?

По време на проучването

и особено през последните 10 години,

имаше много голяма и влошаваща се суша

в Югозападните щати

и се оказа, че колониите, които съхраняват вода,

тези, които остават вътре, когато навън е наистина горещо

и така жертват събирането на възможно най-много храна,

е по-вероятно да имат потомствени колонии.

През цялото време мислех, че колония 154

е губеща, защото в изключително сухите дни

излизаха съвсем малко търсачи,

докато другите колонии бяха навън,

търсейки и намирайки много храна,

но всъщност колония 154 се оказа много успешна.

Тя е матриарх.

Тя една от малкото прабаби на това място.

Доколкото знам, за пръв път

успяваме да проследим

продължаващата еволюция на колективното поведение

при естествена популация на животни

и разбираме какво на практика работи най-добре.

Интернет използва алгоритъм

за регулиране на потока от данни,

който много прилича на алгоритъма,

използван от мравките-жътварки за регулиране

на потока търсачи на храна.

Познайте как наричаме тази аналогия!

Идва мравконетът.

(Аплодисменти)

По същия начин данните не напускат компютъра-първоизточник,

докато не получат сигнал, че има достатъчно диапазон,

за да отпътуват.

В зората на интернет,

когато оперативните разходи били наистина големи

и било истински важно да не се изгуби информация,

системата била нагласена така, че взаимодействията да

активират потока от данни.

Интересно е, че мравките използват алгоритъм

толкова близък до този, който ние неотдавна изобретихме,

но това е само един от шепата техни алгоритми,

които са ни известни,

а мравките са имали 130 милиона години

да развият куп добри попадения

и мисля, че е много вероятно

някои от останалите 12 000 вида

да имат интересни алгоритми

за информационни мрежи,

за които още не сме си и помисляли.

А какво се случва, когато оперативните разходи са ниски?

Оперативните разходи са ниски в тропиците,

защото е много влажно и е лесно за мравките

да бъдат навън и да пълзят наоколо.

Но мравките там са толкова много

и толкова разнообразни,

че има голяма конкуренция.

Какъвто и ресурс да използва един вид,

вероятно е и друг вид да го използва

в същото време.

Затова в тази среда взаимодействията се използват

по обратния начин.

Системата продължава да работи,

докато не се случи нещо отрицателно.

Един от видовете, които изучавам, прави кръгове

от мравки-търсачи по дърветата,

мравките се движат от мравуняка до източника на храна и обратно,

само в кръг,

освен ако не се случи нещо отрицателно,

като среща

с мравки от друг вид.

Ето един пример за охрана при мравките.

По средата има една мравка,

която запушва входа на мравуняка с главата си

в отговор на взаимодействия с друг вид.

Това са малките мравки, които пълзят наоколо

с вдигнати нагоре коремчета.

Но веднага щом опасността премине,

входът отново се отваря

и може би има ситуации

в компютърната защита,

при които оперативните разходи са толкова ниски,

че можем просто да блокираме достъпа временно

в отговор на непосредствена заплаха

и после отново да го отворим,

вместо да се опитваме да строим

постоянна преграда или крепост.

Друго предизвикателство на средата,

с което всички системи се сблъскват,

са ресурсите – откриването и натрупването им.

За да се справят с това, мравките решават проблема

на колективното търсене,

а това е много интересен проблем

в момента за роботиката,

защото разбрахме, че

вместо да изпратим навън

един сложен, скъп робот

да изследва друга планета

или да претърсва горяща сграда,

може би е по-ефективно

да вземем група по-евтини роботи,

които обменят минимална информация –

точно така постъпват мравките.

Инвазивните аржентински мравки

създават големи мрежи за търсене.

Те са добри в решаването на основния проблем

на колективното търсене –

балансът между

старателното търсене

и покриването на голяма територия.

Те правят следното:

когато има много мравки в малко пространство,

всяка от тях може да търси много усърдно,

защото има и друга мравка наблизо,

която търси около себе си,

но когато има едва няколко мравки

в широко пространство,

те трябва да удължат пътя си,

за да покрият повече площ.

Мисля, че използват взаимодействията, за да преценят гъстотата си –

когато са цяла тълпа,

се срещат по-често

и търсят по-старателно.

Различните видове мравки използват различни алгоритми,

защото в развитието си са имали работа с

различни ресурси

и би било истински полезно да научим за тях,

ето защо неотдавна помолихме мравките

да решат проблема на колективното търсене

в екстремна среда –

при безтегловност

на Международната космическа станция.

Когато за пръв път видях тази снимка, си помислих:

„О, не, монтирали са местообитанието вертикално!“,

но после, разбира се, осъзнах, че няма значение.

Идеята тук е, че мравките

полагат толкова големи усилия да се задържат

на стената или на пода или както там го наречем,

че е по-малко вероятно да си взаимодействат

и така връзката между

числеността им и честотата на срещите им

ще се обърка.

Все още анализираме данните.

Все още нямам резултати.

Но би било интересно да знаем

как другите видове решават този проблем

на различни места по Земята,

затова започваме програма,

която да поощри децата по света

да опитат този експеримент с различни видове.

Той е много прост.

Може да се направи с евтини материали.

Бихме могли да направим глобална карта

на алгоритмите за колективно търсене на мравките.

И мисля, че е много вероятно инвазивните видове,

тези които влизат в сградите ни,

да бъдат наистина добри в това,

защото са в кухнята ви,

защото наистина са способни да намират храна и вода.

Най-познатият източник на храна за мравките

е пикникът

и той е изобилен източник.

Там, където има парченце плод

е вероятно да има и друго наблизо

и мравките, специализирани в ресурси, събрани накуп

използват взаимодействията за набиране на търсачи.

Когато една мравка срещне друга

или попадне на химикал, оставен

по земята от друга мравка,

тя променя посоката си на движение

според посоката на взаимодействието

и точно така се получава веригата от мравки,

които споделят пикника ви.

Мисля, че тук е мястото, където можем

да научим нещо от мравките за рака.

Имам предвид, че очевидно можем да направим много,

за да се предпазим от рак,

като не позволяваме на хората да разпространяват

или да продават токсините, които допринасят

за развитието на рак в телата ни,

но не мисля, че мравките могат да ни помогнат много с това,

защото те никога не тровят собствените си колонии.

Но може би можем да научим нещо от тях

във връзка с лечението на рака.

Има много и различни видове рак.

Всеки от тях възниква в определена част от тялото

и после някои видове се разпростират

или образуват метастази в отделни други тъкани,

където вероятно получават ресурсите, от които се нуждаят.

Ако помислите от гледната точка

на първите метастазни ракови клетки,

докато търсят наоколо

ресурсите, от които се нуждаят,

ако тези ресурси са струпани на едно място,

метастазните клетки вероятно ще използват мобилизиращи взаимодействия

и ако разберем по какъв начин раковите клетки мобилизират останалите,

бихме могли да заложим капани

и да ги хванем преди да са се установили.

И така, мравките използват взаимодействия по различни начини

в огромно разнообразие от обкръжения

и бихме могли да се учим от тях

във връзка с други системи, които функционират

без централно управление.

Използвайки само прости взаимодействия,

колониите на мравките са постигнали

удивителни неща за повече от 130 милиона години.

Имаме много да учим от тях.

Благодаря ви.

(Аплодисменти)