Čemu nas mravi uče o mozgu, raku i internetu

Ekolog Debra Gordon proučava mrave gde god da ih nađe - u pustinji, u tropskim krajevima, u svojoj kuhinji... U ovom fascinantnom govoru, ona objašnjava svoju opsesiju insektima koje bi većina nas rado zgnječila bez imalo razmišljanja. Ona tvrdi da mravlji život pruža koristan model za učenje o mnogim drugim temama, uključujući bolest, tehnologiju i ljudski mozak.

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)