Čo nás učia mravce o mozgu, rakovine a internete.

Prírodovedkyňa Deborah Gordon skúma mravcov všade kde ich nájde - na púšti,v pralesoch, v jej kuchyni..... V tejto fascinujúcej prednáške vysvetľuje jej posadnutosť hmyzom ktorý by väčšina z nás zmietla zo sveta bez zbytočného premýšľania. Deborah tvrdí, že život mravcov nám poskytuje skvelý model na učenie sa v iných oblastiach ako sú choroby, technológie a ľudský mozog.

Skúmam mravce

v púšti, v tropickom lese,

v mojej kuchyni

aj v kopcoch okolo Silicon Valley,
kde momentálne žijem.

Len nedávno som pochopila, že mravce

interagujú rozdielne

v rozdielnych prostriediach

a to ma prinútilo zamyslieť sa,
že by sme sa z toho mohli niečo naučiť

o iných systémoch,

ako sú mozgy a dátové siete,
ktoré vytvárame,

či dokonca o rakovine.

To, čo majú všetky tieto systémy spoločné,

je, že v nich neexistuje centrálne ovládanie.

Mravčia kolónia sa skladá
z neplodných robotníc —

to sú tie mravce, ktoré vidíte pobehovať —

a z jednej alebo viacerých plodných samíc,

ktoré proste len kladú vajíčka.

Nevydávajú žiadne príkazy.

A aj keď ich nazývame kráľovné,

nikomu nehovoria, čo má kto robiť.

Takže v mravčej kolónii
nikto nie je šéfom

a všetky takéto systémy
bez centrálnej kontroly

sú regulované s použitím
veľmi jednoduchých interakcií.

Mravce interagujú pomocou vôní.

Dokážu cítiť pachy pomocou tykadiel

a preto aj interagujú pomocou tykadiel,

takže keď sa mravec dotkne
druhého pomocou tykadiel,

môže mu to napríklad
povedať, či je daný mravec

z jeho vlastnej kolónie

a akú úlohu tento ďalší mravec vykonáva.

Tu môžete vidieť množstvo
mravcov, ktoré pobehujú

a interagujú v laboratórnej aréne,

ktorá je potrubím spojená
s ďalšími dvoma arénami.

Takže keď mravec stretne druhého mravca,

a je jedno, akého mravca stretne,

dá sa povedať, že nevysielajú

žiadne komplikované signály ani správy.

Pre mravcov je najdôležitejšie,
s akou frekvenciou

sa stretávajú s ostatnými mravcami.

A všetky tieto interakcie,
keď sa vezmú dohromady,

vytvárajú sieť.

Takže toto je sieť mravcov,

ktorých ste práve videli,
ako sa pohybujú v priestore,

a je to práve táto
neustále sa meniaca sieť,

ktorá určuje chovanie kolónie,

ako napríklad, či sa všetky
mravce schovávajú v mravenisku

alebo koľko z nich sa vydá von zháňať potravu.

Mozog v podstate pracuje
na tom istom princípe,

ale na mravcoch je skvelé to,

že tu môžete vidieť
celú sieť v reálnom čase.

Na svete je viac ako 12 000 druhov mracov,

sú v každom predstaviteľnom prostredí

a menia spôsob spoločnej interakcie

podľa rozdielnych nárokov
ich životného prostredia.

Jednou dôležitou výzvou prostredia,

ktorú musí každý systém riešiť,

sú náklady na prevádzku --
jednoducho, čo to stojí

udržať takýto systém v chode.

Ďalšou výzvou životného
prostredia sú zdroje,

ich vyhľadanie a zber.

Prevádzkové náklady v púšti si vysoké,

pretože voda je vzácna,

a tak musí druh mravcov živiaci sa
semenami, ktorý študujem v púšti,

míňať vodu, aby získal vodu.

Takže mravec, ktorý vonku zháňa potravu

a hľadá semená na horúcom slnku,

proste stráca vodu odparovaním do vzduchu.

Ale kolónia získa svoju stratenú vodu

metabolickou premenou tukov v semenách,

ktoré konzumujú.

Takže v tomto prostredí
sa interakcie využívajú

na zahájanie zberu potravy.

Preto zberač potravy nevyjde z mraveniska,

kým nedostane dostatok podnetov
od vracajúcich sa zberačov.

Tu môžete vidieť vracajúcich sa zberačov,

ktorí vchádzajú tunelom do mraveniska

a stretávajú sa so zberačmi,
ktorí sú na ceste von.

Pre kolóniu to dáva zmysel,

pretože o čo viac potravy
sa vonku nachádza,

o to rýchlejšie ju zberači nájdu,

o to rýchlejšie sa vrátia späť

a o to viac zberačov sa vyberie von.

Celý system je pozastavený,

až kým nenastane nejaký pozitívny podnet.

Takže interakcie slúžia
na aktiváciu zberačov.

A my študujeme vývoj
celého tohto systému.

Po prvé si treba uvedomiť,
že sú tu rozdiely.

Ukazuje sa, že kolónie sú rozdielne.

V suchých dňoch niektoré
kolónie zbierajú menej,

takže kolónie sa odlišujú v tom,

ako spravujú túto výmenu

medzi vodou, ktorú minú
na získanie semien,

a vodou, ktorú získajú
späť vo forme semien.

A my sa snažíme pochopiť, prečo

niektoré kolónie zbierajú
potravu menej ako druhé,

a to tak, že o týchto mravcoch
rozmýšľame ako o neurónoch

a používame modely z neurológie.

Rovnako ako neurón
vyhodnotí svoju stimuláciu

od iného neurónu a rozhodne
sa, či ju má poslať ďalej,

mravec vyhodnotí podnety od druhého mravca

a rozhodne sa, či pôjde
von zbierať potravu.

My sa snažíme zistiť, či by mohli byť

medzi kolóniami malé rozdiely v tom,

koľko interakcii potrebuje každý mravec,

kým sa vyberie von na zber potravy,

pretože takáto kolónia by zberala menej.

A to prináša analogickú
otázku ohľadom mozgu.

Hovoríme o mozgu,

ale je samozrejmé, že
každý mozog je trochu iný

a možno sú niektorí jednotlivci

alebo niektoré podmienky,

v ktorých sú elektrické
vlastnosti neurónov také,

že potrebujú viac
stimulácie, aby reagovali,

a to by viedlo k rozdielom
v mozgovej činnosti.

Ak sa teda chceme pýtať evolučné otázky,

potrebujeme vedieť
o úspešnosti rozmnožovania.

Toto je mapa štúdie priestranstva,

na ktorom som sledovala túto populáciu

kolónií mravcov-zberačov počas 28 rokov,

čo je asi priemerná dĺžka života kolónie.

Každý symbol reprezentuje jednu kolóniu

a veľkosť symbolu určuje,
koľko dcérskych kolónií kolónia mala,

pretože sme použili genetickú rozmanitosť,

aby sme určili vzťah
materských a dcérskych kolónií,

a teda zistili, ktoré kolónie

boli založené dcérskou kráľovnou

a z ktorej materskej kolónie
táto kráľovná pochádzala.

A čo ma po všetkých týchto
rokoch naozaj ohromilo,

bolo zistenie, že napríklad kolónia 154,

ktorú sme dobre poznali už toľko rokov,

je vlastne pramatkou.

Tu vidíme jej dcérsku kolóniu,

tu vidíme vnučky tejto kolónie

a toto sú jej pravnučky.

Pri tomto výskume som pochopila,

že dcérske kolónie sa
podobajú na materské kolónie

v rozhodovaní o tom,
ktoré dni sú tak horúce,

že nezberajú potravu.

Dcérske kolónie a materské kolónie

žijú od seba tak ďaleko,
že samotné mravce sa nikdy nestretnú,

takže mravce dcérskej kolónie

sa to nemôžu učiť od mravcov
z materskej kolónie.

Takže naším ďalším krokom je hľadať

nejakú genetickú rozdielnosť,
ktorá vytvára základ tejto podobnosti.

Potom som sa mohla opýtať:
ktoré kolónie sú na tom lepšie?

Počas celej doby tejto štúdie,

a hlavne za posledných 10 rokov,

boli obdobia veľkého sucha

na území juhozápadu Spojených štátov

a ukazuje sa, že kolónie,
ktoré šetria vodu tým,

zostávajú v mravenisku, keď
je vonku naozaj teplo,

a teda obetujú maximálny zber potravy,

sú práve tie, ktoré budú mať s väčšou
pravdepodobnosťou dcérske kolónie.

Celý čas som si myslela, že kolónia 154

je na tom zle, pretože počas
naozaj horúcich dní

zbierali potravu len minimálne,

zatiaľ čo ostatné kolónie behali vonku,

zbierali, zhromažďovali množstvo potravy,

ale pravda je taká, že kolónia 154
je veľmi úspešná.

Ona je vládcom.

Ona je jedna z mála pra-pramatiek
kolónií v danom priestore.

Pokiaľ viem, toto bolo prvý krát,

čo sme boli schopní sledovať

prebiehajúcu evolúciu hromadného správania

v prirodzenej populácii zvierat

a zistili sme, čo vlastne funguje najlepšie.

Internet používa algoritmus,

aby reguloval tok dát,

a ten je veľmi podobný algoritmu,

ktorý používajú zberači v mravenisku
na reguláciu

množstva zberačov.

Viete, ako voláme tuto analógiu?

Prichádza "mravcoweb".

(INTERNET - ANTERNET)
(Potlesk)

Znamená to, že údaje neodchádzajú
zo zdrojového počítača

bez toho, aby dostali signál,
že je voľné dostatočne široké pásmo,

aby údaje mohli pretekať.

V počiatkoch internetu,

keď prevádzkové náklady boli vysoké

a bolo naozaj dôležité, aby sa údaje nestrácali,

bol systém nastavený tak,
aby vzájomné pôsobenie

aktivovalo tok údajov.

Je zaujímavé, že mravce
používajú algoritmus,

ktorý je tak podobný algoritmu
objavenému len nedávno,

toto je však iba jeden
z mravčích algoritmov,

o ktorých vieme,

a pri tom mravce mali 130 miliónov rokov,

aby vyvinuli množstvo dobrých algoritmov,

a preto myslím, že je veľmi pravdepodobné,

že niektoré z ďalších 12000 druhov mravcov

budú mať tiež zaujímavé algoritmy

pre dátové siete,

o ktorých sme ešte ani len nepremýšľali.

Čo sa teda stane, keď sú prevádzkové náklady nízke?

Toto sa týka mravcov v trópoch, pretože

kvôli veľkej vlhkosti je pre mravcov jednoduché

vyrážať na prechádzky mimo mraveniska.

Ale mravce v trópoch sú také početné

a rozmanité,

že dochádza ku konkurenčnému boju.

Akýkoľvek zdroj jeden druh používa,

iný druh ho bude chcieť používať

tiež.

Takže v tomto prostredí sa vzájomné interakcie

využívajú opačným spôsobom.

Takýto systém funguje,

kým sa nestane niečo zlé,

a jeden z druhov, ktoré študujem, robí okruhy

zbierajúcich mravcov v korunách stromov,

chodiacich od mraveniska
k zdroju potravy a späť,

stále dookola,

až kým sa nestane niečo negatívne,

ako napríklad interakcia

s mravcami z iného druhu.

Tu vidíme príklad, ako funguje mravčia ochranka.

V strede je mravec,

ktorý upcháva vchod do mraveniska hlavou

ako reakciu na stretnutie s iným mravčím druhom.

Sú to tie malé mravce, ktoré pobehujú

s bruškami zdvihnutými do vzduchu.

Ale hneď ako hrozba pominie,

vchod sa opäť otvorí.

Možno by sme našli podobné situácie

v počítačovej bezpečnosti,

kde sú prevádzkové náklady dosť nízke na to,

aby sme mohli blokovať prístup len dočasne,

ako odpoveď na momentálne nebezpečenstvo,

a potom sme ho mohli zase otvoriť

namiesto snaženia sa stavať

trvalé firewally či pevnosti.

Ďalšia enviromentálna výzva,

s ktorou sa musia
vysporiadať všetky systémy,

sú zdroje, ich objavenie a zber.

Aby to mravce dosiahli, riešia problém

kolektívneho hľadania,

a to je problematika,
o ktorú sa práve teraz veľmi

zaujíma robotika,

pretože chápeme to,

že skôr ako posielať jediného

dômyselného, drahého robota

na prieskum inej planéty

alebo na prieskum horiacej budovy

by bolo možno efektívnejšie

poslať skupinu lacných robotov,

ktorí si vymieňajú iba minimum informácii,

a to je presne spôsob,
ako to robia mravce.

Útočný argentínsky mravec

vytvára rozšíriteľné siete hľadania.

Veľmi dobre zvládajú hlavný problém

spoločného hľadania,

ktorým je kompromis medzi

veľmi dôsledným hľadaním

a pokrytím čo najväčšej časti územia.

Robia to tak,

že keď je veľa mravcov na malom území,

tak môže každý z nich hľadať veľmi dôsledne,

pretože nablízku bude ďalší mravec,

ktorý prehľadá vedľajšie územie,

ale keď hľadá len niekoľko mravcov

na veľkom území,

tak musia rozšíriť svoju plochu hľadania

aby preskúmali väčšie územie.

Myslím, že používajú interakcie,
aby posúdili, koľko ich je v priestore,

takže keď sú naozaj prehustení,

stretávajú sa častejšie

a začnú prehľadávať dôslednejšie.

Rozdielne druhy mravcov musia
používať rozdielne algoritmy,

pretože sa vyvinuli na vysporiadanie sa

s rôznymi zdrojmi.

Bolo by naozaj užitočné vedieť o tom,

a tak sme nedávno požiadali mravce,

aby vyriešili problém
kolektívneho hľadania

v extrémnom prostredí

mikrogravitácie

na palube Medzinárodnej kozmickej stanice.

Keď som prvýkrát videla
tento obrázok, pomyslela som si:

Ach, nie, namontovali
mravčí habitat zvislo,

ale potom som pochopila,
že je to, samozrejme, jedno.

Myšlienka tohto pokusu
je v tom, že mravce

sa všemocne snažia udržať

na stene alebo podlahe alebo to nazvite ako chcete,

že je menej pravdepodobné,
že budú vzájomne na seba pôsobiť,

a teda vzťah medzi tým,

ako sú mravce nahusto a ako často sa stretávajú,

by bol narušený.

Stále ešte analyzujeme údaje.

Nemám ešte výsledky.

Ale bolo by zaujímavé vedieť,

ako tento problém riešia iné druhy

v rozdielnych prostrediach na zemi,

takže začíname s programom,

ktorý podnecuje deti z celého sveta,

aby vyskúšali tento experiment
s rozdielnymi druhmi.

Je to veľmi jednoduché.

Dá sa to urobiť s lacnými materiálmi.

Týmto spôsobom by sme mohli
vytvoriť celosvetovú mapu

mravčích algoritmov spoločného hľadania.

A myslím, že je dosť pravdepodobné, že útočné druhy,

tie, ktoré prichádzajú do našich domov,

budú v tomto veľmi dobré,

keďže sú vo vašej kuchyni

preto, že sú naozaj dobré
v hľadaní potravy a vody.

Najznámejší zdroj potravy pre mravce

je piknik

a treba povedať, že je to
rozdrobený zdroj.

Ak je tam jeden kúsok ovocia,

je pravdepodobné, že neďaleko bude ďalší,

a mravce, ktoré sa špecializujú
na takéto zdroje,

využijú interakcie na
zapojenie ďalších mravcov.

A tak, keď jeden mravec stretne druhého

alebo keď nájde na zemi
chemickú stopu vytvorenú

na zemi iným mravcom,

tak zmení smer, ktorý nasleduje,

na smer interakcie,

a tak sa vám stane, že zrazu
máte zástup mravcov,

ktorí sa chcú tiež pohostiť
na vašom pikniku.

Toto je miesto, kde si myslím,
že by sme mohli byť schopní

sa od mravcov naučiť niečo o rakovine.

Za prvé si myslím, že by sme
mohli veľa urobiť

na prevenciu rakoviny,

a to tak, že by sme ľudom
nedovolili rozširovať

alebo predávať toxíny, ktoré podporujú

vývoj rakoviny v našom tele,

ale v tom nám asi mravce veľmi nepomôžu,

pretože oni si svoje kolónie nikdy neotrávia.

Ale niečo by sme sa
od mravcov mohli naučiť

o liečbe rakoviny.

Je veľa druhov rakoviny.

Každá začína na špecifickom mieste v tele

a potom sa niektoré druhy rakoviny rozšíria

alebo tvoria metastázy
v špecifických tkanivách,

kde musia dostávať potrebné živiny.

Keď sa nad tým zamyslíte z tohto hľadiska,

že metastázové rakovinové bunky,

ktoré sa pohybujú telom

a hľadajú zdroje, ktoré potrebujú,

ak sú tie zdroje zhustené,

pravdepodobne použijú interakcie na nábor,

a keby sme zistili, ako sa
rakovinové bunky zvolávajú,

možno by sme mohli nastaviť pasce

a pochytať ich, kým sa usadia.

Takže mravce používajú interakcie
rozdielnymi spôsobmi,

vo veľkom množstve prostredí

a my by sme sa z tohto mohli naučiť

o iných systémov, ktoré pracujú

bez centrálnej kontroly.

Používaním iba jednoduchých interakcii

mravčie kolónie predvádzajú

úžasné skutky už viac ako 130 miliónov rokov.

Máme sa od nich veľa čo učiť.

Ďakujem.

(Potlesk)