Czego mrówki uczą nas o mózgu, nowotworach i Internecie ?

Ekolog Deborah Gordon bada mrówki wszędzie, gdzie może je znaleźć: na pustyni, w tropikach, w swojej kuchni... Podczas fascynującego wykładu, wyjaśnia swoją obsesję na punkcie owadów, których większość z nas bez namysłu by się pozbyła. Przekonuje, że życie mrówek stanowi użyteczny model, aby zgłębić takie tematy jak choroby, technologia i ludzki mózg.

Zajmuję się badaniem mrówek:

na pustyni, w lasach tropikalnych,

w mojej kuchni,

i na wzgórzach wokół Doliny Krzemowej,
gdzie mieszkam.

Niedawno uświadomiłam sobie,

że mrówki porozumiewają się inaczej

w różnych środowiskach

i dlatego moglibyśmy się od nich nauczyć

o innych systemach:

mózgu, sieciach komputerowych,
które budujemy,

i nawet nowotworach.

Wszystkie te systemy mają wspólną cechę:

brak centralnej kontroli.

Kolonia mrówek składa się
z bezpłodnych robotnic,

mrówek wędrujących dookoła,

i co najmniej jednej płodnej samicy,

która tylko składa jaja.

One nie wydają rozkazów.

Mimo, że nazywa się je królowymi,

nie mówią nikomu, co robić.

W kolonii mrówek nikt nie dowodzi,

a takie systemy bez centralnej kontroli

są regulowane prostymi interakcjami.

Mrówki używają do tego zapachów.

Wyczuwają zapachy czółkami

i to nimi się komunikują,

więc kiedy mrówka dotyka czółkami drugiej,

jest w stanie określić,

czy tamta mrówka jest gniazdowniczką

i jakie zadanie wykonywała.

Tu widać mnóstwo mrówek w ruchu,

które wchodzą w interakcje
na laboratoryjnej arenie

połączonej rurkami z dwiema innymi.

Kiedy mrówki się ze sobą spotykają,

nie ma znaczenia z którą,

to nie przesyłają

skomplikowanych sygnałów ani wiadomości.

Liczy się częstotliwość,

z jaką spotkają się z innymi mrówkami.

Wszystkie interakcje, razem wzięte,

tworzą sieć.

To sieć mrówek,

które widzieliście na arenie,

i ta nieustannie zmieniająca się sieć

prowadzi do danego zachowania kolonii,

takiego jak ukrywanie się w gnieździe

czy tego, ile wyjdzie szukać jedzenia.

Mózg pracuje podobnie,

ale u mrówek najwspanialsze jest to,

że sieć można zobaczyć podczas tworzenia.

Występuje ponad 12 000 gatunków mrówek

żyjących w każdym możliwym środowisku,

które komunikują się różnie,

w zależności od wyzwań na danym terenie.

Jednym z wyzwań śrdowiskowych,

z którym musi radzić sobie każdy system

są koszty operacyjne,

czyli warunki działania tego systemu.

Kolejnym z wyzwań są: zasoby,

ich szukanie i zbieranie.

Na pustyni koszty operacyjne są wysokie,

ponieważ brakuje wody,

więc mrówki żywiące się nasionami,
które tam badam,

muszą poświęcić wodę, żeby ją dostać.

Mrówka żywiąca się na zewnątrz,

szukająca nasion w pełnym słońcu,

traci wodę, która z niej paruje.

Kolonia otrzymuje wodę

poprzez metabolizm tłuszczów z nasion,

które zjadają.

W takim środowisku

interakcje służą rozpoczęciu poszukiwań.

Poszukiwaczki nie wychodzą

bez odpowiedniej ilości sygnałów

od powracających mrówek,
które tutaj widać,

jak wchodzą do tunelu, do gniazda

i spotykają poszukiwaczki,
które udają się na zewnątrz.

Dla kolonii to ma sens,

bo im więcej jedzenia na zewnątrz,

tym szybciej znajdą je poszukiwaczki

i szybciej wrócą,

aby wysłać na poszukiwania
jak najwięcej mrówek.

System pracuje nieprzerwanie,

dopóki warunki są korzystne.

Poszukiwaczki uaktywniają się
dzięki interakcjom.

Badaliśmy ewolucję tego systemu.

Występuje w nim różnorodność.

Kolonie są różne.

Podczas suszy niektóre kolonie
rzadziej szukają pożywienia,

więc różnią się sposobem,

w jaki osiągają kompromis

między utratą wody w poszukiwaniu nasion

a czerpaniem jej z nich.

Próbujemy zrozumieć,

czemu niektóre kolonie
poszukują mniej niż inne,

patrząc na mrówki jak na neurony,

używając modeli z neurobiologii.

Neuron sumuje impulsy
wysyłane przez inne neurony,

aby wysłać potencjał czynnościowy

a mrówki sumują sygnały
od innych mrówek,

aby zadecydować, kiedy szukać pożywienia.

Zastanawiamy się, czy między koloniami

mogą być niewielkie różnice

między liczbą niezbędnych interakcji,

jakich potrzebuje mrówka,
żeby wyjść na poszukiwania.

Taka kolonia poszukiwałaby mniej niż inne.

Analogiczne pytanie dotyczy mózgu.

Mówimy "mózg",

ale każdy mózg jest inny,

i może istnieją jednostki

albo określone warunki,

w których elektryczne właściwości neuronów

wymagają większej stymulacji,
aby wysłać potencjał czynnościowy,

a to oznaczałoby różnice
w funkcjonowaniu mózgu.

Pytając o ewolucję,

musimy wiedzieć o sukcesie reprodukcyjnym.

To mapa badanego terenu,

w którym śledziłam populację

żniwiarek przez 28 lat,

czyli mniej więcej tyle, ile żyje kolonia.

Każdy symbol to jedna kolonia,

a wielkość odzwierciedla ilość potomstwa,

bo wykorzystaliśmy genetyczną różnorodność

by kolonie macierzyste
dopasować z potomnymi

w celu odgadnięcia, kóre kolonie

były założone przez potomne królowe

pochodzące z kolonii macierzystych.

Niesamowite było odkrycie,
po tylu latach,

że na przykład kolonia 154,

którą znam od dawna,

jest prababcią.

Tu znajduje się jej kolonia-córka,

tu kolonia-wnuczka,

a tutaj jej kolonie-prawnuczki.

Dzięki temu zrozumiałam,

że kolonie potomne naśladują
kolonie macierzyste,

decydując, które dni są tak upalne,

więc mrówki nie wychodzą żerować.

Kolonie potomne żyją na tyle daleko,

że mrówki nigdy się nie spotykają,

więc mrówcze potomstwo

nie uczy się tego od kolonii macierzystej.

Nasz następny krok

to poszukiwanie genetycznej matrycy,
z której wynika to podobieństwo.

Zapytałam, kto radzi sobie lepiej.

Podczas trwania badań,

szczególnie w ostatniej dekadzie,

panowała dotkliwa i pogarszająca się susza

w południowo-zachodniej części Stanów.

Okazało się, że kolonie,
które oszczędzają wodę,

nie wychodzą, gdy zewnątrz jest za gorąco,

i nie zdobywają największej
możliwej ilości jedzenia,

mają największe szanse
na posiadanie kolonii potomnych.

Długo myślałam, że kolonia 154,

była stracona, bo w bardzo suche dni,

częstotliwość poszukiwań była niewielka,

a inne kolonie były na zewnątrz,

szukając i zdobywając mnóstwo jedzenia,

ale to kolonia 154 jest ogromnym sukcesem.

Jest matką rodu.

Jest jedną z niewielu prababć
na tym terenie.

Z tego, co wiem, po raz pierwszy

byliśmy w stanie śledzić

ewolucję zachowań zbiorowych

w naturalnej populacji zwierząt

i zbadać, które zachowanie
jest najkorzystniejsze.

Internet wymaga algorytmu

do kontroli przepływ danych,

który jest bardzo podobny do tego

używanego przez żniwiarki, aby regulować

liczbę wychodzących poszukiwaczek.

Zgadnijcie, jak nazywamy tę analogię?

Nadchodzi "Anternet"!

(Brawa)

Komputer źródłowy nie wyśle danych

bez odpowiedniej przepustowości łącza,

po których mogą przepłynąć.

Na początku dziejów Internetu,

kiedy koszty operacyjne były wysokie

i trzeba było uważać,
aby nie stracić danych,

system był oparty na interakcjach

aktywujących przepływ danych.

System, który wynaleźliśmy,
jest bardzo podobny

do tego używanego przez mrówki,

jednego z niewielu algorytmów,

o których wiemy,

a mrówki miały 130 milionów lat

na wypracowanie tych dobrych.

To bardzo prawdopodobne,

że niektóre z 12 000 gatunków

mają ciekawe algorytmy

dla sieci danych,

o których jeszcze nie wiemy.

Co się dzieje, kiedy koszty są niskie?

Koszty operacyjne są niskie w tropikach,

ponieważ jest bardzo wilgotno

i mrówkom jest łatwo poszukiwać.

Mrówki występują w takiej obfitości

i różnorodności w tropikach,

że panuje tam duża konkurencja.

Jeśli z zasobów korzysta jeden gatunek,

to prawdopodobnie używa ich inny

w tym samym czasie.

W tych warunkach interakcje

służą czemuś innemu.

System pracuje do momentu,

dopóki nie wydarzy się coś negatywnego.

Jeden z badanych gatunków krąży,

wśród drzew, na których mrówki
poszukują pożywienia,

od gniazda do jedzenia, i z powrotem,

kółko za kółkiem,

aż wydarzy się coś złego,

na przykład spotkanie

z mrówką innego gatunku.

To przykład mrówczej ochrony.

W środku jest mrówka,

która zasłania głową wejście do gniazda

w obronie przed innym gatunkiem.

To te małe mrówki biegające dookoła

z odwłokami w górze.

Kiedy zagrożenie mija,

wejście jest ponownie otwierane.

Takie sytuacje mogą pojawić się

w systemie bezpieczeństwa komputerowego,

kiedy koszty są na tyle niskie,

że można tymczasowo zablokować dostęp

w odpowiedzi na bezpośrednie zagrożenie,

a potem znów odblokować,

zamiast próbować zbudować

trwałe zapory sieciowe.

Innym wyzwaniem środowiskowym,

z jakim muszą radzić sobie systemy

są zasoby, ich znajdowanie i gromadzenie.

Mrówki radzą sobie,

prowadząc poszukiwania grupowe,

a to kwestia interesująca

dla robotyki,

bo pomogła zrozumieć,

że wysyłanie jednego,

wymyślnego i drogiego robota

do badania obcej planety,

czy przeszukiwania płonącego budynku,

może być mniej efektywna

niż wysłanie grupy tańszych robotów

wymieniających minimum informacji,

czyli tak samo jak robią mrówki.

Inwazyjne mrówki argentyńskie

tworzą rozszerzające się sieci poszukiwań.

Dobrze radzą sobie z głównym problemem

poszukiwań grupowych,

czyli wypośrodkowaniem

między bardzo dokładnymi poszukiwaniami

a ich jak największym terenem.

Wtedy właśnie,

kiedy na małym terenie jest dużo mrówek,

każda szuka bardzo dokładnie,

bo tuż obok jest inna mrówka

zajęta poszukiwaniem,

ale kiedy mrówek jest mało

na dużym terenie,

wtedy rozciągają swoje ścieżki,

żeby objąć zasięgiem większy teren.

Myślę, że używają interakcji,
do oszacowania zagęszczenia.

Kiedy jest ich dużo,
spotykają się częściej,

dlatego szukają dokładniej.

Różne gatunki mrówek
używają różnych algorytmów,

bo rozwinęły metody radzenia sobie

z różnymi zasobami,

o czym dobrze byłoby wiedzieć,

więc niedawno sprawdziliśmy,
w jaki sposób mrówki

poradzą sobie z poszukiwaniami grupowymi

w ekstremalnych warunkach mikrograwitacji

na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Kiedy zobaczyłam to zdjęcie,

pomyślałam, że mrowisko ustawiono pionowo,

ale to przecież nie ma znaczenia.

Założenie było takie,

że mrówki walczyły by o przyczepność

do ściany lub podłogi,
jakkolwiek by to nazwać,

więc ich interakcje byłyby utrudnione,

i dlatego właśnie związek

między zagęszczeniem
a częstotliwością spotkań

zostałby zaburzony.

Nadal analizujemy dane.

Nie znamy jeszcze wyników.

Dobrze byłoby wiedzieć,

jak różne gatunki rozwiązują ten problem

w różnych środowiskach na ziemi,

dlatego zakładamy program

zachęcający dzieci z całego świata

do eksperymentowania z różnymi gatunkami.

To bardzo proste.

Wytarczą do tego tanie materiały.

Tym sposobem moglibyśmy zrobić

globalną mapę algorytmów
poszukiwań grupowych.

To prawdopodobne, że gatunki inwazyjne,

które wchodzą do naszych budynków,

są w tym naprawdę dobre,

bo są w twojej kuchni dlatego,

że sprawnie znajdują jedzenie i wodę

Najbardziej znajomym źródłem dla mrówek

jest piknik,

czyli źródło zgrupowane.

Jeśli gdzieś leży kawałek owocu,
prawdopodobnie tuż obok jest kolejny.

Mrówki wyspecjalizowane w takich źródłach

używają interakcji do rekrutowania.

Kiedy mrówka spotyka inną,
albo znajduje ślad chemiczny na ziemi

pozostawniony przez inną,

wtedy zmienia kierunek

i podąża w kierunku interakcji,

tworząc karawanę mrówek,
z którymi dzielisz piknik.

Mrówki mogłyby nas nauczyć

czegoś o nowotworach.

Moglibyśmy wiele zrobić, to oczywiste,

aby zapobiec nowotworom,

nie pozwalając ludziom rozprzestrzeniania

i sprzedaży toksyn,

które przyczyniają się do rozwoju raka,

ale tu nie pomogą nam mrówki,

bo one nie zatruwają własnych kolonii.

Możemy nuczyć się od nich tego,

jak leczyć nowotwory.

Jest wiele rodzajów raka.

Każdy powstaje w innej części ciała,

a potem niektóre rozrastają się

lub tworzą przerzuty do innych tkanek,

gdzie muszą zdobyć potrzebne zasoby.

Jeśli pomyślimy

o komórkach rakowych z przerzutami,
we wczesnym stadium,

poszukujących dookoła zasobów,

których potrzebują,

i jeśli te zasoby są zgrupowane,

komórki używają prawdopodobnie
interakcji do rekrutowania,

a jeśli dowiemy się, jak rekrutują,

wtedy moglibyśmy założyć pułapki,

żeby łapać je zanim się rozwiną.

Mrówki używają interakcji w różny sposób,

w różnych warunkach

i możemy się od nich nauczyć

o systemach,

które nie mają centralnej kontroli.

Dzięki prostym interakcjom

kolonie mrówek radzą sobie świetnie

od 130 milionów lat.

Możemy się od nich wiele nauczyć.

Dziękuję.

(Brawa)