Was wir von Ameisen über das Gehirn, Krebs und das Internet lernen können

Die Ökologin Deborah Gordon erforscht Ameisen überall dort, wo sie sie finden kann -- in der Wüste, in den Tropen, in ihrer Küche… In diesem faszinierenden Vortrag erklärt sie ihre Begeisterung für Insekten, die die meisten von uns, ohne weiter darüber nachzudenken, zerquetschen würden. Sie argumentiert, dass Ameisen ein nützliches Modell liefern, um etwas über viele andere Bereiche zu lernen, einschließlich Krankheit, Technologie und das menschliche Gehirn.

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)