O que as formigas nos ensinam a respeito do cérebro, do câncer e da Internet

A ecologista Deborah Gordon estuda as formigas onde quer que as possa encontrar: no deserto, nos trópicos, em sua própria cozinha... Nesta palestra fascinante, ela explica sua obsessão por insetos que a maioria de nós enxotaria sem hesitar. Ela argumenta que a vida das formigas fornece um modelo útil para aprendermos sobre muitas outras questões, incluindo doenças, tecnologia e o cérebro humano.

Eu estudo formigas

no deserto, na floresta tropical,

na minha cozinha

e nas colinas ao redor
do Vale do Silício, onde moro.

Recentemente, descobri que as formigas

usam as interações de forma diferente,

em ambientes diferentes,

o que me fez pensar isso
poderia nos ensinar

a respeito de outros sistemas,

como sobre o cérebro,
sobre redes de dados que criamos

e até sobre o câncer.

O que todos esses sistemas têm em comum

é que não existe
qualquer controle central.

Uma colônia de formigas consiste
de fêmeas operárias estéreis,

que são as formigas
que vemos andando por aí,

e também uma ou mais fêmeas reprodutoras,

que apenas põem os ovos.

Elas não dão qualquer instrução.

Embora sejam chamadas de rainhas,

elas não dizem às outras o que fazer.

Então, em uma colônia de formigas,
não há ninguém no comando,

e todos os sistemas como esse,
sem um controle central,

são regulados através
de interações muito simples.

As formigas interagem usando o cheiro.

Elas sentem o cheiro
através de suas antenas,

e interagem com suas antenas.

Quando uma formiga toca outra
com suas antenas,

ela pode saber, por exemplo,
se a outra formiga é uma colega de ninho

e que tarefa essa outra
formiga está realizando.

Aqui, vemos um monte
de formigas se movendo

e interagindo na arena do laboratório,

que é conectada por tubos
a duas outras arenas.

Quando uma formiga encontra outra,

não importa que formiga ela encontra...

e não estão transmitindo

qualquer tipo de sinal
ou mensagem complicada.

O que importa para a formiga
é a frequência

com que ela encontra outras formigas.

Todas essas interações, juntas,

produzem uma rede.

Esta é a rede de formigas

que acabamos de ver se movendo na arena,

e é esta rede em constante mudança

que produz o comportamento da colônia,

como, por exemplo, se todas as formigas
vão se esconder dentro do ninho,

ou quantas vão sair em busca de alimento.

Na verdade, o cérebro funciona
da mesma forma,

mas o interessante nas formigas

é que você pode toda
a rede enquanto ela funciona.

Existem mais de 12 mil
espécies de formigas,

em todos os ambiente
que se possa imaginar,

e elas usam interações de forma diferente

para lidar com os desafios
de cada ambiente.

Um desafio ambiental importante

com que qualquer sistema tem de lidar

são os custos de operação,
aquilo que é preciso

para que o sistema funcione.

Outro desafio ambiental são os recursos:

encontrá-los e coletá-los.

No deserto, os custos
de operação são altos

porque a água é escassa,

e as formigas comedoras de sementes
que estudo no deserto

precisam gastar água para consegui-la.

Então, uma formiga em busca de alimento,

procurando sementes sob sol quente,

simplesmente perde água no ar.

Mas a colônia obtém água

metabolizando as gorduras das sementes

que suas formigas comem.

Então, nesse ambiente,
as interações servem

para ativar a busca por alimento.

Uma formiga catadora de alimento não sai,

a não ser que interaja o suficiente
com as outras que retornam,

e o que você vê
são as que estão retornando

e entrando no túnel, indo para o ninho,

encontrando formigas
que saem em busca de alimento.

Isso faz sentido na colônia de formigas,

porque quanto mais alimento
houver do lado de fora,

mais rápido as formigas o encontrarão,

mais rápido voltarão

e mais catadoras são enviadas para fora.

O sistema é programado para ficar inerte,

a não ser que algo positivo aconteça.

Então, as catadoras de alimento
são ativadas pelas interações.

Temos estudado a evolução desse sistema.

Em primeiro lugar, há variação.

As colônias são diferentes.

Em dias secos, algumas colônias
buscam menos alimento.

As colônias são diferentes

na forma como gerenciam esse equilíbrio

entre gasto de água buscando por sementes

e a reobtenção de água
através das sementes.

Estamos tentando entender

por que algumas colônias
buscam alimento menos que outras,

pensando nas formigas como neurônios,

utilizando modelos da neurociência.

Assim como um neurônio recebe estímulo

de outros neurônios
para decidir se vai disparar,

uma formiga recebe estímulo
de outras formigas

para decidir se vai sair
em busca de alimento.

Estamos tentando descobrir se pode haver

pequenas diferenças entre colônias

sobre quantas interações
cada formiga precisa

para que se disponham a sair
em busca de alimento,

porque uma colônia assim cataria menos.

E isso levanta uma questão análoga
sobre o cérebro.

Nós falamos sobre o cérebro,

mas é claro que cada cérebro
é ligeiramente diferente dos outros,

e talvez existam alguns indivíduos

ou algumas condições

em que as propriedades elétricas
dos neurônios sejam tais

que necessitem de mais
estímulo para disparar,

e isso resultaria em diferenças
no funcionamento do cérebro.

Para fazermos perguntas evolucionárias,

precisamos saber
sobre sucesso reprodutivo.

Este é um mapa do local de estudo

em que tenho rastreado uma população

de uma colônia de formigas
colhedoras por 28 anos,

que é mais ou menos
o tempo de vida de uma colônia.

Cada ponto é uma colônia,

e o tamanho do ponto indica
quantas crias ela teve,

porque conseguimos usar variação genética

para detectar as colônias dos pais
e as colônias das crias,

ou seja, descobrir quais colônias

foram estabelecidas por uma rainha filha

produzida por determinada colônia de pais.

Foi incrível para mim,
depois de todos esses anos,

descobrir, por exemplo, que a colônia 154,

que conheço bem há muitos anos,

é bisavó.

Esta é sua colônia filha,

esta é sua colônia neta,

e estas são suas colônias bisnetas.

Fazendo isso, pude aprender

que as colônias das crias
se parecem com as colônias dos pais

em suas decisões quanto
a que dias são quentes demais

para saírem em busca de alimento,

e as colônias de crias e de pais

vivem tão longe uma da outra
que as formigas nunca se encontram.

Então, as formigas da colônia das crias

não puderam aprender isso
da colônia dos pais.

Nosso próximo passo é procurar

a variação genética
por trás dessa semelhança.

Então, pude perguntar:
"Certo, quem se sai melhor?"

Durante o tempo do estudo,

especialmente nos últimos dez anos,

houve uma seca muito severa e profunda

no sudoeste dos Estados Unidos,

e as colônias que conservam água,

que não saem quando está
muito quente do lado de fora,

e, assim, acabam não pegando
tanto alimento,

são as mais propensas
a gerar colônias de crias.

Durante todo esse tempo,
pensei que a colônia 154

fosse uma perdedora,
porque, em dias realmente secos,

apresentava pouquíssima
busca por alimento,

enquanto as outras colônias saíam,

conseguindo muito alimento.

Na verdade, a colônia 154
é um grande sucesso.

Ela é uma matriarca.

É uma das raras bisavós no local.

Até onde sei, é a primeira vez

que fomos capazes de rastrear

a evolução de comportamento
coletivo em curso

em uma população natural de animais

e descobrir o que, de fato,
funciona melhor.

Bem, a internet utiliza um algoritmo

para regular o fluxo de dados

que é muito similar

ao que as formigas segadoras
utilizam para regular

o fluxo de formigas catadoras.

Advinha como chamamos essa analogia?

A "formiganet" vem por aí.

(Aplausos)

Então, os dados não deixam
o computador fonte,

a não ser que receba um sinal
de que há banda larga suficiente

para que eles possam transitar.

No início da internet,

quando os custos de operação
eram muito altos

e era realmente importante
que dado algum se perdesse,

o sistema foi configurado
para que interações

ativassem o fluxo de dados.

É interessante que as formigas
estejam usando um algoritmo

que seja tão parecido
com o que inventamos recentemente,

mas esse é apenas um
de vários algoritmos de formigas

que conhecemos,

e as formigas tiveram 130 milhões de anos

para desenvolver vários bons algoritmos,

e acho muito provável

que algumas das outras 12 mil espécies

tenham algoritmos interessantes

para redes de dados,

os quais ainda nem imaginamos.

O que acontece quando os custos
de operação são baixos?

O custos de operação
são baixos nos trópicos,

por estes serem muito úmidos,
sendo fácil para as formigas

saírem e andarem do lado de fora.

Mas as formigas são tão abudantes

e diversas nos trópicos

que há muita competição.

Seja qual for o recurso
que uma espécie use,

é provável que outra espécie o use

ao mesmo tempo.

Então, nesse ambiente,
as interações são usadas

da forma oposta.

O sistema prossegue,

a não ser que algo negativo aconteça,

e uma espécie que estudo
cria circuitos nas árvores,

de formigas catadoras de alimento,

que vão do ninho à fonte
de alimento, e de volta,

indo e voltando,

a não ser que algo negativo aconteça,

como uma interação

com formigas de outra espécie.

Então, eis um exemplo
de segurança de formiga.

No meio, há uma formiga

bloqueando a entrada
do ninho com a cabeça,

devido a interações com outra espécie.

São as pequenas correndo

com o abdômen suspenso.

Mas, logo que ameaça passa,

a entrada é aberta novamente.

Talvez haja situações
em segurança de computadores

em que os custos de operações
sejam baixos o suficiente

para que pudéssemos simplesmente
bloquear temporariamente o acesso,

devido a uma ameaça imediata,

e depois abri-lo novamente,

em vez de tentar incluir

um firewall
ou uma fortaleza permanente.

Outro desafio ambiental

com que todos os sistemas têm de lidar

são os recursos:
encontrá-los e coletá-los.

Para fazer isso, as formigas
resolvem a questão

da busca coletiva,

e essa é uma questão de grande interesse

neste momento, na robótica,

porque entendemos

que, em vez de enviar um único,

caro e sofisticado robô

para explorar outro planeta

ou fazer uma busca em um prédio em chamas,

pode ser mais eficaz

termos um grupo de robôs mais baratos

trocando apenas o mínimo de informações,

como as formigas fazem.

A formiga-argentina invasora

cria redes de busca expansíveis.

Elas são boas em lidar
com o problema principal

da busca coletiva,

que é o equilíbro

entre buscar minuciosamente

e cobrir grandes espaços.

Quando há muitas formigas
num espaço pequeno,

cada uma delas pode buscar minuciosamente

porque haverá outra formiga por perto,

procurando por ali.

Mas quando há poucas formigas

em uma grande espaço,

elas precisam ampliar seu campo de busca

para cobrir um espaço maior.

Acho que elas usam as interações
para avaliar a densidade.

Quando estão muito aglomeradas,

encontram-se com mais frequência
e buscam mais minuciosamente.

Diferentes espécies de formigas
devem usar diferentes algoritmos,

porque elas evoluíram para lidar

com recursos diferentes,

e poderia ser muito útil sabermos isso.

Por isso, recentemente,
pusemos as formigas

para resolverem o problema
da busca coletiva

no ambiente extremo

da microgravidade,

na Estação Espacial Internacional.

Quando vi essa imagem, pensei:

"Ah, não! Construíram
o habitat verticalmente!,

mas me dei conta de que, claro,
não faz diferença.

A ideia aqui é de que as formigas

estão se esforçando tanto
para se segurar à parede

ou ao chão, ou seja lá o quê,

que ficam menos propensas a interagir.

Então, a relação

entre o nível de aglomeração delas
e a frequência com que se encontram

ficaria desregulada.

Ainda estamos analisando os dados.

Ainda não tenho os resultados.

Mas seria interessante saber

como outras espécies
resolvem esse problema

nos diferentes ambientes da Terra.

Estamos desenvolvendo um programa

para estimular crianças em todo o mundo

a fazer esta experiência
com diferentes espécies.

É muito simples.

Pode ser feita com materiais baratos.

E assim, poderíamos criar um mapa global

de algoritmos
da busca coletiva das formigas.

E acho bem provável
que as espécies invasoras,

aquelas que entram em nossas casas,

mostrarão um ótimo desempenho,

porque estão em sua cozinha

por serem muito boas
em encontrar comida e água.

O recurso mais familiar para as formigas

é o piquenique,

e é um recurso aglomerado.

Quando um pedaço de fruta,

é provável que haja
outro pedaço por perto,

e as formigas que se especializaram
em recursos aglomerados

usam interações para recrutamento.

Quando uma formiga encontra outra,

ou encontra uma substância
química depositada no chão

por outra formiga,

ela muda sua direção para seguir

na direção da interação,

e é por isso que vemos
uma trilha de formigas

invadindo nosso piquenique.

É aí que acredito que possamos conseguir

aprender algo com as formigas
a respeito do câncer.

Quero dizer, primeiro, é óbvio
que poderíamos fazer muito

para prevenir o câncer

não permitindo que as pessoas
se espalhem por aí

ou vendam as toxinas que promovem

a evolução do câncer em nosso corpo,

mas não acho que as formigas
possam nos ajudar muito nisso,

porque elas nunca envenenam
suas próprias colônias.

Mas talvez consigamos
aprender algo com elas

sobre como tratar o câncer.

Existem muitos tipos diferentes de câncer.

Cada um deles surge
em uma parte específica do corpo.

Alguns tipos de câncer se espalham

ou entram em metástase
em outros tecidos específicos,

onde vão obter os recursos
de que precisam.

Se pensarmos da perspectiva

de novas células metastáticas de câncer

enquanto estão à procura

dos recursos de que precisam,

se esses recursos estiverem aglomerados,

é provável que elas usem
interações de recrutamento.

Se pudermos entender
como as células de câncer recrutam,

talvez possamos criar armadilhas

para pegá-las antes que se estabeleçam.

As formigas estão usando
as interações de diferentes maneiras,

numa enorme variedade de locais,

e poderíamos aprender com isso

sobre outros sistemas que operam

sem um controle central.

Usando apenas interações simples,

as colônias de formigas têm realizado

feitos incríveis por mais
de 130 milhões de anos.

Temos muito a apender com elas.

Obrigada.

(Aplausos)