Ja proučavam mrave
u pustinji, u tropskoj šumi
i u svojoj kuhinji
kao i u brdima oko Silikonske doline, gde živim.
Nedavno sam shvatila da mravi
različito koriste interakcije u različitim okruženjima,
i to me je navelo na razmišljanje
da bismo mogli da iz ovoga učimo o drugim sistemima,
kao što su mozgovi i mreže podataka kojima upravljamo,
pa čak i rak.
Ono što svi ovi sistemi imaju zajedničko
jeste to da ne postoji centralna kontrola.
Kolonija mrava se sastoji od sterilnih radilica -
to su mravi koje viđate kako šetaju okolo -
i od jedne ili više reproduktivnih ženki
koje samo polažu jaja.
One ne daju nikakve instrukcije.
Iako se nazivaju kraljicama,
one ne govore nikome šta da radi.
U koloniji mrava, niko nije nadležan,
i svi sistemi bez centralne kontrole kao što je ovaj
se regulišu koristeći vrlo jednostavne interakcije.
Mravi komuniciraju koristeći miris.
Oni mirišu svojim antenama,
i komuniciraju svojim antenama,
tako da kada jedan mrav dodirne drugog svojim antenama,
može zaključiti, na primer,
da li je drugi mrav iz iste kolonije
i kakav zadatak taj drugi mrav obavlja.
Ovde vidite mnogo mrava koji se kreću okolo
i komuniciraju u laboratorijskoj areni
koja je povezana cevima sa druge dve arene.
Dakle, kada jedan mrav sretne drugog,
nije bitno kog mrava sretne,
i oni zapravo ne šalju
nikakav komplikovani signal ili poruku.
Sve što je bitno za mrava jeste tempo
kojim sreće drugog mrava.
I sve ove interakcije, uzete zajedno,
stvaraju mrežu.
Ovo je mreža mrava
koje ste malopre videli kako se kreću po areni,
i ova stalno promenljiva mreža je ta
koja proizvodi ponašanje kolonije,
kao što je to da li su svi mravi skriveni u gnezdu,
ili koliko njih izlazi u nabavku hrane.
Mozak zapravo radi na isti način,
ali ono što je sjajno kod mrava je to što možete videti
čitavu mrežu dok se to dešava.
Postoji više od 12 000 vrsta mrava,
u svakoj sredini koju možete zamisliti,
i različito koriste interakcije
kako bi se suočile sa različitim izazovima sredine.
Jedan značajan sredinski izazov
sa kojim svaki sistem mora da se suoči
jesu operativni troškovi,
ono što je potrebno za pokretanje sistema.
A drugi sredinski izazov su resursi,
njihovo pronalaženje i prikupljanje.
U pustinji, operativni troškovi su veliki
jer nema dovoljno vode,
i mravi koje izučavam u pustinji koji jedu semenje
moraju da troše vodu da bi došli do vode.
Dakle, mrav u potrazi za hranom,
tragajući sa semenjem po vrućini,
samo gubi vodu u vazduh.
Ali kolonija dobija svoju vodu
metabolišući masnoće iz semenki
koje jedu.
Dakle, u ovoj sredini, interakcije se koriste
za aktiviranje potrage za hranom.
Tragač ne kreće u potragu ako ne dobije
dovoljno interakcije sa tragačima koji se vraćaju,
i ono što vidite su tragači u povratku
koji idu u tunel, u gnezdo,
i sreću tragače pri polasku napolje.
Ovo ima smisla za koloniju mrava,
jer što više hrane ima napolju,
tragači će je brže naći,
brže će se vratiti,
i više će tragača poslati napolje.
Sistem radi tako da ostaje zaustavljen,
dok se nešto pozitivno ne dogodi.
Tako interakcije funkcionišu da bi aktivirale tragače za hranom.
Izučavali smo evoluciju ovog sistema.
Najpre, postoje varijacije.
Ispostavilo se da su kolonije različite.
Sušnim danima, neke kolonije manje tragaju za hranom,
dakle, kolonije se razlikuju po tome kako rukovode
ovom razmenom trošenja vode
da bi se tragalo za semenjem
i ponovnog dobijanja vode u obliku semenja.
Pokušavamo da razumemo zašto neke kolonije
tragaju za hranom manje od drugih
razmišljajući o mravima kao o neuronima,
koristeći modele iz neurologije.
Kao što neuron sabira stimulaciju drugih neurona
da bi odlučio da li da se upali,
mrav sabira stimulaciju drugih mrava
da bi odlučio da li da traga za hranom.
A ono što tražimo je da li bi moglo biti
malih razlika među kolonijama
u pogledu toga koliko je interakcija svakom mravu potrebno
pre nego što postane voljan da izađe u potragu za hranom,
jer bi takva kolonija manje tragala za hranom.
Ovo pokreće analogno pitanje o mozgovima.
Pričamo o mozgu,
ali naravno, svaki mozak je nešto drugačiji,
i možda ima nekih pojedinaca
ili nekih uslova
u kojima su elektronska svojstva neurona takva
da zahtevaju više podsticaja da bi opalili,
a to bi dovelo do razlika u funkciji mozga.
Dakle, da bismo postavili evoluciona pitanja,
potrebno je da saznamo o reproduktivnom uspehu.
Ovo je mapa mesta istraživanja
gde sam pratila ovu populaciju
kolonija mrava žetelaca kroz 28 godina,
što je otprilike onoliko koliko kolonija živi.
Svaki simbol je kolonija,
a veličina simbola označava koliko je imala potomaka,
jer smo mogli da koristimo genetske varijacije
da bismo spojili kolonije roditelja i potomaka,
odnosno, da bismo otkrili koje kolonije
je osnovala ćerka kraljica
i koja roditeljska kolonija ju je stvorila.
Ovo je bilo neverovatno za mene,
otkriti posle svih tih godina, na primer, da kolonija 154,
koju sam dobro znala mnogo godina,
je prababa.
Ovo je njena ćerka kolonija,
ovo je njena unuka kolonija,
a ovo su njene praunuke kolonije.
Radeći ovo, mogla sam da saznam
da kolonije potomaka podsećaju na kolonije roditelja
po svojim odlukama o tome koji dani su toliko vreli
da neće ići u potragu za hranom,
a potomci roditeljskih kolonija
žive međusobno toliko daleko da se mravi nikada ne sreću,
tako da mravi kolonije potomka
ne mogu da ovo nauče od kolonije roditelja.
Naš sledeći korak je bio da potražimo genetsku varijaciju
koja se nalazi u osnovi ove sličnosti.
Tada sam mogla da pitam, okej, kome ide bolje?
Vremenom kroz istraživanje,
naročito u poslednjih 10 godina,
došlo je do veoma teške i zaoštravajuće suše
u jugozapadu SAD-a,
i ispostavilo se da kolonije koje čuvaju vodu,
koje ostaju unutra kada je zaista vruće napolju,
i tako žrtvuju pribavljanje što više moguće hrane,
su one koje će verovatnije imati kolonije potomaka.
Sve ovo vreme sam mislila
da je kolonija 154 gubitnik, jer bi veoma vrelih dana
bilo samo mrvica prikupljene hrane,
dok su druge kolonije bile napolju u traganju, pribavljajući dosta hrane,
ali u stvari, kolonija 154 je veoma uspešna.
Ona je matrijarh.
Ona je jedna od retkih prababa na lokaciji.
Koliko ja znam, ovo je prvi put
da smo mogli da pratimo
evoluciju kolektivnog ponašanja dok se ona odvija
u prirodnoj populaciji životinja
i saznamo šta zaista najbolje funkcioniše.
Internet koristi algoritam
da bi regulisao protok podataka
koji je veoma sličan onome
koji mravi žeteoci koriste za regulaciju
kretanja tragača za hranom.
Pogodite kako zovemo ovu analogiju?
Anternet stiže.
(Aplauz)
Podaci ne napuštaju izvorni računar
dok ne dobiju signal da je širina opsega dovoljna
da bi putovali.
Ranih dana interneta,
kada su operativni troškovi bili vrlo visoki
i bilo je jako važno ne gubiti nimalo podataka,
sistem je bio podešen za interakcije
da bi aktivirao protok podataka.
Interesantno je da mravi koriste algoritam
koji je toliko sličan onome koji smo skoro pronašli,
ali je to samo jedan u mnoštvu mravljih algoritama
za koje znamo,
a mravi su imali 130 miliona godina
da razviju dosta onih dobrih,
i mislim da je veoma verovatno
da će neke od ostalih 12 000 vrsta
imati zanimljive algoritme
za mreže podataka
o kojima mi još nismo ni razmišljali.
Šta se dešava kada su operativni troškovi niski?
Operativni troškovi su niski u tropskim krajevima,
jer je veoma vlažno, i mravima je lako
da budu napolju krećući se unaokolo.
Ali mravi su toliko rasprostranjeni i raznovrsni u tropskim krajevima
da ima mnogo konkurencije.
Koji god resurs jedna vrsta koristi,
druga vrsta ga verovatno
istovremeno koristi.
Stoga se u ovoj sredini interakcije koriste
na suprotan način.
Sistem nastavlja da radi dok se nešto negativno ne desi,
i jedna vrsta koju izučavam
pravi kružne putanje u drveću mrava sakupljača
idući od gnezda do izvora hrane i nazad,
samo ukrug i ukrug, dok se nešto negativno ne desi,
kao što je interakcija
sa mravima druge vrste.
Evo primera mravljeg obezbeđenja.
U sredini se nalazi mrav koji zapušava ulaz u gnezdo svojom glavom
kao odgovor na interakcije sa drugim vrstama.
To su malecki koji trče okolo
sa svojim trbusima izbačenim u vazduhu.
Ali čim pretnja prođe,
ulaz je ponovo otvoren,
i možda ima situacija
u kompjuterskoj bezbednosti
gde su operativni troškovi dovoljno niski
da možemo da samo blokiramo pristup privremeno,
kao odgovor na trenutnu pretnju,
i zatim ga ponovo otvorimo,
umesto pokušaja da izgradimo
trajni zaštitni zid ili tvrđavu.
Drugi sredinski izazov
kojim svi sistemi moraju da se bave
jesu resursi, njihovo pronalaženje i prikupljanje.
A da bi to činili, mravi rešavaju problem
kolektivne potrage,
i to je problem koji je sada
od velikog značaja u robotici,
jer smo shvatili da,
umesto slanja jednog,
sofisticiranog, skupog robota
da istraži drugu planetu
ili da pretraži zgradu koja gori,
da umesto toga, može biti efektivnije
uzeti grupu jeftinijih robota
koji će razmenjivati samo minimum informacija,
a to je način na koji mravi to čine.
Tako invazivni argentinski mrav
pravi proširive mreže pretrage.
Oni su dobri u bavljenju glavnim problemom
kolektivne potrage,
a to je kompromis između
vrlo temeljnog traganja
i pokrivanja mnogo zemlje.
A ono što rade jeste,
kada ima mnogo mrava na malom prostoru,
onda svaki od njih može da traži vrlo temeljno
jer će biti drugi mrav u blizini
koji traga tamo,
ali kada ima malo mrava
na velikom prostoru,
onda treba da rašire svoje putanje
da bi pokrili više terena.
Mislim da koriste interakcije da procene gustinu,
pa kada je stvarno gužva,
češće se sreću,
i tragaju temeljnije.
Različite vrste mrava moraju koristiti različite algoritme,
jer su evoluirali da se bave
različitim resursima,
i može biti korisno znati,
nedavno smo tražili od mrava
da reše problem kolektivne potrage
u ekstremnoj sredini
mikrogravitacije
u Međunarodnoj svemirskoj stanici.
Kada sam prvi put videla ovu sliku,
pomislila sam: O ne, montirali su stanište vertikalno,
ali onda sam shvatila da, naravno, to nije bitno.
Dakle, ideja je da mravi
rade tako vredno da vise
na zidu ili podu ili kako god ga nazovete,
da je manje verovatno da će komunicirati,
i tako bi se poremetio odnos
između toga kolika je gužva i koliko se često sreću.
Još uvek analiziramo podatke.
Još uvek nemam rezultate.
Ali bi bilo zanimljivo znati kako druge vrste
rešavaju ovaj problem u različitim sredinama na Zemlji,
i stoga uspostavljamo program
da bismo podstakli decu širom sveta
da probaju ovaj eksperiment sa različitim vrstama.
Veoma je jednostavno.
Može se uraditi sa jeftinim materijalima.
I na taj način možemo napraviti globalnu mapu
mravljih algoritama kolektivne potrage.
I mislim da je prilično verovatno da će invazivne vrste,
one koje dolaze u naše zgrade,
biti jako dobre u ovome,
zato što su u našoj kuhinji
jer su jako dobri u pronalaženju vode i hrane.
Najpoznatiji resurs za mrave
je piknik,
a to je resurs na jednom mestu.
Kada je tu jedan komad voća,
verovatno će tu biti i drugo parče voća u blizini,
i mravi koji su specijalizovani za grupisane resurse
koriste interakcije za regrutovanje.
Kada jedan mrav sretne drugog,
ili kada naiđe na hemijske nanose
na zemlji od drugog,
onda menja pravac da bi išao
u pravcu interakcije,
i tako dobijate putanju mrava
koji dele vaš piknik.
Ovde mislim da možemo
naučiti nešto od mrava o raku.
Mislim, prvo, očigledno je da bismo mogli
učiniti puno toga da sprečimo rak
ne dozvoljavajući ljudima da šire okolo
ili prodaju toksine koji podstiču
razvoj raka u našim telima,
ali ne mislim da nam mravi mogu mnogo pomoći sa ovim
jer mravi nikada ne truju sopstvene kolonije.
Ali možda možemo naučiti nešto od mrava
o lečenju raka.
Postoji mnogo različitih vrsta raka.
Svaki od njih potiče iz određenog dela tela,
i zatim, neke vrste raka će se raširiti ili metastazirati
do drugih određenih tkiva
gde moraju pribaviti sredstva koja su im potrebna.
Ako razmišljate iz perspektive
ranih metastazirajućih ćelija raka
dok tragaju unaokolo
za resursima koji su im potrebni,
ako su ti resursi grupisani,
verovatno je da će koristiti interakcije za regrutaciju,
a ako možemo da otkrijemo kako se ćelije raka okupljaju,
onda bismo možda mogli da postavimo zamke
da ih uhvatimo pre nego se uspostave.
Dakle, mravi koriste interakcije na različite načine
u mnogim različitim sredinama,
i možemo naučiti iz ovoga
o drugim sistemima koji rade
bez centralne kontrole.
Koristeći samo proste interakcije,
kolonije mrava vrše neverovatne podvige
više od 130 miliona godina.
Imamo mnogo da naučimo od njih.
Hvala vam.
(Aplauz)