Ce ne învață furnicile despre creier, cancer și internet

Ecologa Deborah Gordon studiază furnici oriunde le poate găsi -- în deșert, la tropice, în bucătăria ei... În această fascinantă discuție ea iși explică obsesia pentru insecte pe care cei mai mulți dintre noi le-am strivi fară probleme. Ea susține că viața furnicii ne oferă un model folositor pentru a înțelege multe aspecte, cum ar fi bolile, tehnologia și creierul uman.

Studiez furnici

în deșert, în pădurile tropicale,

și în propria bucătărie,

și pe dealurile din Silicon Valley
unde locuiesc.

Recent mi-am dat seama

că furnicile interacționează diferit

în funcție de mediu,

şi mi-am dat seama
că de aici am putea învăța

despre alte sisteme,

cum ar fi creierul şi datele de reţea

şi chiar despre cancer.

Aceste sisteme au în comun faptul că

nu au un control central.

O colonie de furnici constă
în femele sterile, lucrătoare --

pe ele le vedem mişunând --

şi una sau mai multe femele reproducătoare

care doar depun ouă.

Nu dau niciun ordin.

Chiar dacă sunt numite regine,

ele nu spun nimănui ce să facă.

Într-o colonie de furnici nu e nimeni şef,

şi sistemele fără control centralizat

se reglează prin interacţiuni simple.

Furnicile interacţionează
prin intermediul mirosului.

Miros cu antenele,

interacţionează prin antene.

Când o furnică atinge o alta cu antenele,

ştie dacă cealaltă

e o colocatară a cuibului ei

şi ce sarcină îndeplineşte ea.

Aici vedeţi multe furnici mișunând

şi interacţionând
într-o arenă de laborator

conectată prin tuburi cu alte două arene.

Când două furnici se întâlnesc,

indiferent cu cine se întâlnesc,

nu transmit semnale

sau mesaje complicate.

Tot ce contează e frecvenţa

cu care întâlneşte alte furnici.

Toate aceste interacţiuni însumate,

crează o reţea.

Această reţea de furnici

pe care tocmai aţi văzut-o,

care se modifică constant,

generează comportamentul coloniei,

fie că toate se ascund în cuib,

sau câte pleacă după hrană.

Un creier funcţionează la fel,

dar la furnici e grozav

că poţi observa reţeaua
pe măsură ce se crează.

Există peste 12.000 de specii de furnici,

în orice mediu,

şi ele interacţionează diferit

ca să facă faţă schimbărilor de mediu.

O problemă majoră de mediu,

cu care orice sistem are de-a face,

ţine de costurile de funcţionare,

de ce e nevoie ca să funcţioneze.

Un alt aspect ţine de resurse,

de găsirea şi colectarea lor.

În deşert, costurile de funcţionare
sunt ridicate

din cauza penuriei de apă,

iar furnicile din deşert, consumatoare
de seminţe, pe care le studiez,

consumă apă ca să facă rost de apă.

O furnică aflată la cules,

căutând seminţe în soarele arzător,

pierde apa în aer.

Dar colonia îşi ia apa

metabolizând grăsimile din seminţele

pe care le consumă.

În acest mediu, interacţiunile

folosesc la intensificarea culesului.

O culegătoare nu iese decât dacă

se întâlneşte cu destule furnici
care se reîntorc,

iar aici vedeţi furnicile care se întorc,

intră în tunel, în cuib,

şi se întâlnesc cu cele care pleacă.

E normal pentru colonie, pentru că,

cu cât e mai multă mâncare afară,

cu atât o găsesc mai repede,

şi cu cât mai repede se întorc,

cu atât mai multe ies afară.

Sistemul stă oprit,

până când se petrece ceva pozitiv.

Interacţiunile au rolul
de a activa furnicile.

Am studiat evoluţia acestui sistem.

În primul rând, există variaţii.

Coloniile sunt diferite.

În zile toride,
unele colonii culeg mai puţin,

aşadar ele diferă prin modul în care

abordează echilibrul

între consumul de apă
pentru găsirea seminţelor

şi aducerea apei sub formă de seminţe.

Încercăm să înțelegem de ce

unele colonii ies la cules
mai puţin decât altele,

le asemănăm cu reţele neuronale,

folosind modele din neuroştiinţă.

Aşa cum un neuron acumulează stimuli

de la alţi neuroni şi decide dacă emite,

o furnică însumează stimuli
de la alte furnici

să decidă dacă iese după hrană.

Căutăm să înţelegem dacă există

diferenţe minore între colonii

referitoare la câte interacţiuni
necesită o furnică

înainte să vrea să iasă la cules,

pentru că o astfel de colonie
va culege mai puţin.

Asta naşte întrebări similare
despre creier.

Vorbim despre creier,

dar fiecare creier e uşor diferit,

şi poate că există indivizi

sau anumite condiţii

când proprietăţile electrice ale neuronilor

necesită mai mulţi stimuli
pentru funcţionare,

şi asta ar genera diferenţe
în funcţionarea creierului.

Pentru întrebări referitoare la evoluţie

trebuie să cunoaştem succesul reproductiv.

Asta e harta zonei de studiu

unde am urmărit această colonie

de furnici culegătoare, timp de 28 de ani,

cam cât trăieşte o colonie.

Fiecare simbol e o colonie,

mărimea simbolului reprezintă
numărul de urmaşi,

pentru că am folosit variaţii genetice

ca să determinăm coloniile descendenţilor,

adică să ne dăm seama ce colonii

provin de la o regină-fiică

a unei colonii parentale.

A fost uimitor să aflu după atâţia ani,

că, de exemplu, colonia 154,

pe care o ştiam de mulţi ani,

e străbunică.

Asta e colonia fiică,

astea sunt coloniile nepoate,

iar astea sunt coloniile stră-nepoate.

Făcând asta am aflat că

coloniile descendente
seamănă cu cele parentale

în deciziile asupra zilelor fierbinți

ce nu permit colectarea.

Descendentele coloniilor parentale

trăiesc atăt de departe
încât nu se întâlnesc niciodată,

deci furnicile coloniilor descendente

nu pot învăța asta
de la colonia parentală.

Următorul pas e să căutam

variații genetice ce stau
la baza acestei asemănări.

Apoi m-am întrebat, cine e cel mai apt?

Pe parcursul studiului,

în special în ultimii 10 ani,

a fost o secetă cruntă

în sud-vestul Statelor Unite

și coloniile care conservă apa,

care stau înăuntru când e foarte cald,

sacrificând colectarea proviziilor,

sunt cele mai prolifice.

Tot timpul am crezut
despre colonia 154

că n-are șanse,
pentru că în zilele secetoase

colectarea era redusă

în timp ce alte colonii erau afară

culegând, strângând provizii,

dar de fapt, colonia 154
era un mare succes.

Era matriarha.

E una din rarele stră-străbunici
în studiul nostru.

Din câte știu, e prima oara

când am putut urmări

evoluția continuă
a comportamentului colectiv

într-o populație naturală de animale

și să descoperim care-i cel mai eficient.

Internetul folosește un algoritm

regulator de fluxul de date

similar cu cel pe care

furnicile culegatoare îl folosesc

să controleze fluxul de provizii.

Ghiciți cum numim această analogie?

Anternet.

(Aplauze)

Datele părăsesc computerul

doar dacă primesc un semnal
că e destulă lățime de bandă

pentru a se transfera.

La începuturile internetului

când costurile de operare erau foarte mari

și era important să nu fie pierdute date

sistemul era construit astfel încât

interacțiunile activau fluxul de date.

E interesant ca furnicile
folosesc un algoritm

atât de similar cu cel
recent inventat de noi,

însă acesta e doar unul din multe
algoritme ale furnicilor

despre care am aflat,

furnicile au avut 130 de milioane de ani

sa elaboreze o mulțime de algoritme bune.

și cred că e foarte posibil

ca unele din cele 12.000 de specii

vor avea algoritme interesante

pentru rețele de date

la care nici nu ne-am gândit încă.

Deci ce se întâmplă când
costurile de oprare sunt mici?

Costurile de operare sunt mici la tropice,

deoarece umiditatea e mare
și e ușor pentru furnici

să stea afară cautând.

Dar furnicile sunt atât de multe

și diverse la tropice

încât competiția e mare.

Orice resursă folosită de o specie,

e probabil cautată de o altă specie

în același timp.

Deci în acest mediu
interacțiunile sunt folosite

în sens contrar.

Sistemul continuă să funcționeze

cât timp nu se întâmplă ceva negativ.

O specie pe care o studiez
face un tur circular

în copacii furnicilor culegatoare

de la cuib
la sursa de hrană și înapoi

circulând continuu

până când ceva negativ se întâmplă,

ca o interacțiune

cu furnici din altă specie.

Iata un exemplu de securitate al furnicilor.

În mijloc e o furnică

astupând intrarea în cuib cu capul

ca raspuns la interacțiunea cu altă specie.

Sunt cele mici ce aleargă

cu abdomenele sus în aer.

Dar imediat ce amenințarea trece,

intrarea este redeschisă,

și poate sunt situații

în informatica

unde costurile de operare
sunt destul de mici

încât am putea bloca temporar accesul

ca răspuns la o amenințare imediată,

și dupa aceea să îl redeschidem,

în loc sa construim

un sistem de siguranță permanent
sau o fortăreață.

Înca o provocare a mediului

la care toate sistemele
trebuie să se adapteze

sunt resursele, gasirea și colectarea lor.

Pentru asta, furnicile rezolva problema

căutării colective,

asta fiind o problemă de mare interes

chiar acum în robotică,

deoarece am înțeles că,

decât să trimitem în spațiu

un singur robot sofisticat și scump

să exploreze alta planetă

sau să cerceteze o cladire în flâcâri,

ar fi mai eficient

să trimitem un grup de roboți mai ieftini

schimbând informații minime.

Așa procedeaza furnicile.

Furnica invazivă argentiniană

construiește rețele de căutare extensibile.

Reușesc să rezolve problema principală

a căutării extensive,

creând un echilbru între

o cautare amănunțită

și mărimea ariei de căutare.

Când sunt multe furnici într-un spațiu mic

fiecare poate căuta foarte amanunțit

pentru că este mereu o furnică alături

căutând acolo,

dar când sunt furnici puține

într-un spațiu mare

trebuie să se împrăștie

ca să acopere o suprafață mai mare.

Folosesc interacțiuni să aprecieze densitatea,

când sunt foarte aglomerate

se întâlnesc mai des,

si caută mai amănunțit.

Specii diferite trebuie să folosească
algoritmi diferiți,

deoarece au evoluat sa se adapteteze

diferitelor resurse,

și ar fi extrem de util să știm mai mult.

De asta am cerut recent furnicilor

să rezolve problema căutării colective

în mediul ostil al microgravitații

în Stația Spațială Internațională.

Când am vazut poza prima oara mi-am zis:

Oh nu, au montat habitatul vertical,

apoi am realizat, evident, că nu contează.

Ideea este că furnicile

se străduiesc să nu cadă

de pe perete sau podea sau cum vrei să-i spui

încât interacționează mai puțin

și astfel relația între cât de înghesuite sunt

și cât de des se întâlnesc
se dă peste cap.

Încă analizam datele.

Nu am rezultatele încă.

Dar ar fi interesant să știm

cum soluționează alte specii această problemă

în diverse medii pe Pământ,

de aceea organizăm un program

pentru încurajarea copiilor din toata lumea

să încerce acest experiment cu specii diferite.

E foarte simplu.

Poate fi facut cu materiale ieftine.

Așa am putea crea o hartă globală

a algoritmilor căutarii colective a furnicior

E foarte probabil ca speciile invazive,

cele care vin în casele noastre,

vor fi destul de bune

pentru ca sunt în bucatariile noastre

și sunt foarte pricepute
să găsească mâncare și apă.

Cea mai familiară resursă pentru furnici

este un picnic,

o resursă îmbelșugată.

Când există o bucată de fruct,

e posibil să fie încă una langă,

și furnicile specializate în resurse abundente

folosesc interacțiuni pentru găsirea hranei.

Când se întâlnesc,

sau găsesc urma chimică

lăsată pe jos de către alta,

își schimbă traseul

în direcța interacțiunii

și astfel dai peste rândurile de furnici

împărțind un picnic

Acum e momentul

să învățăm ceva de la furnici despre cancer.

În primul rând,
evident că am putea face multe

să prevenim cancerul

nepermițând oamenilor să împartă

sau să văndă toxinele care promovează

evoluția cancerului în corpurile noastre.

dar furnicile nu ne pot ajuta prea mult aici

deoarece furnicile
nu-și otrăvesc niciodată coloniile.

Dar am putea învăța ceva

despre tratarea cancerului.

Sunt multe feluri de cancer.

Fiecare originează
într-o anume parte a corpului,

apoi anumite feluri de cancer se înmulțesc

sau metastazează într-un alt țesut

unde găsesc resursele de care au nevoie.

Dacă gândești din perspeciva

celulelor canceroase
în stadiul timpuriu metastatic

cum umblă in jur

după resursele de care au nevoie,

dacă resursele sunt abundente,

vor folosi interacțiuni pentru recrutare,

și dacă înțelegem cum recrutează
celulele canceroase,

poate am putea pune capcane

să le prindem până se stabilesc.

Furnicile folosesc interacțiunile diferit

într-o largă varietate de medii,

și putem învăța din asta

despre alte sisteme care funcționează

fară un control central.

Folosind doar simple interacții,

coloniile de furnici au realizat

lucruri uimitoare
de peste 130 de milioane de ani

Avem de învățat mult de la ele.

Mulțumesc.