Jeg studerer myrer i ørkenen, i tropisk skov, og i mit køkken og i bakkerne omkring Silicon Valley hvor jeg bor. Jeg har fornylig opdaget at myrer kommunikerer på forskellige måder i forskellige miljøer, og jeg tænkte at det kan lære os noget om andre systemer, som hjerner og de datanetværk vi bygger, og selv kræft.
I study ants in the desert, in the tropical forest and in my kitchen, and in the hills around Silicon Valley where I live. I've recently realized that ants are using interactions differently in different environments, and that got me thinking that we could learn from this about other systems, like brains and data networks that we engineer, and even cancer.
Det alle disse systemer har til fælles er at de har ingen central kontrol. Et myresamfund består af sterile arbejderhunner, det er dem man ser går omkring, og en eller flere frugtbare hunner som bare lægger æg. De giver ingen ordrer. Selvom de kaldes dronninger, bestemmer de ikke hvad andre skal gøre. I en myretue er der ingen som styrer, og alle systemer uden central styring virker ved hjælp af simpel kommunikation. Myrer kommunikerer med lugte. De lugter med deres følehorn, og kommunikerer med dem, så når en myre rører en anden med følehornene kan den lugte om den anden myre er fra samme tue og hvilken opgave den anden har gjort. Her ser du en masse myrer kravle rundt og kommunikere i en boks i laboratoriet som er forbundet til andre bokse med rør. Når myrer møder hinanden er det lige meget hvem de møder, de udveksler ikke nogen form for kompliceret signal eller besked. Det eneste som betyder noget er hvor hyppigt de møder hinanden. Og al kommunikationen mellem dem producerer et netværk. Så dette er netværket for de myrer vi lige har set bevæge sig rundt i boksen, Og dette netværk i konstant forandring er det som skaber koloniens adfærd, f.eks. om alle myrerne gemmer sig i boet, eller hvor mange som er ude at samle føde. En hjerne fungerer faktisk på samme måde, men det gode med myrer er at man kan se hele netværket mens det sker.
So what all these systems have in common is that there's no central control. An ant colony consists of sterile female workers -- those are the ants you see walking around — and then one or more reproductive females who just lay the eggs. They don't give any instructions. Even though they're called queens, they don't tell anybody what to do. So in an ant colony, there's no one in charge, and all systems like this without central control are regulated using very simple interactions. Ants interact using smell. They smell with their antennae, and they interact with their antennae, so when one ant touches another with its antennae, it can tell, for example, if the other ant is a nestmate and what task that other ant has been doing. So here you see a lot of ants moving around and interacting in a lab arena that's connected by tubes to two other arenas. So when one ant meets another, it doesn't matter which ant it meets, and they're actually not transmitting any kind of complicated signal or message. All that matters to the ant is the rate at which it meets other ants. And all of these interactions, taken together, produce a network. So this is the network of the ants that you just saw moving around in the arena, and it's this constantly shifting network that produces the behavior of the colony, like whether all the ants are hiding inside the nest, or how many are going out to forage. A brain actually works in the same way, but what's great about ants is that you can see the whole network as it happens.
Der er over 12.000 myrearter i alle tænkelige miljøer og de kommunikerer på forskellige måder afhængig af hvert miljøs udfordringer. En vigtig miljømæssig udfordring som ethvert system må håndtere er driftsomkostninger, altså det det koster at drive systemet. Og en anden udfordring er ressourcer, at finde dem og samle dem ind. I ørkenen er driftsomkostningerne store fordi vand er sparsomt, og de frø-ædende myrer jeg studerer i ørkenen må forbruge vand for at finde vand. Så en myre ude for at samle mad som leder efter frø i solen mister vand ud i luften. Men kolonien får sit vand ved at fordøje fedtet i frøene som de spiser. I dette miljø bruges kommunikation til at aktivere indsamling af føde. En myre på vej ud, går ikke før den får nok signaler fra myrer på vej hjem og vi ser at myrer som kommer hjem går ind i gangen, ind i tuen, og møder andre myrer på vej ud. Dette giver mening for et myresamfund fordi jo mere mad der er udenfor, jo hurtigere finder myrene den, og jo hurtigere kommer de tilbage, og sender andre myrer ud. Systemet virker ved at holde sig i ro indtil noget positivt opstår.
There are more than 12,000 species of ants, in every conceivable environment, and they're using interactions differently to meet different environmental challenges. So one important environmental challenge that every system has to deal with is operating costs, just what it takes to run the system. And another environmental challenge is resources, finding them and collecting them. In the desert, operating costs are high because water is scarce, and the seed-eating ants that I study in the desert have to spend water to get water. So an ant outside foraging, searching for seeds in the hot sun, just loses water into the air. But the colony gets its water by metabolizing the fats out of the seeds that they eat. So in this environment, interactions are used to activate foraging. An outgoing forager doesn't go out unless it gets enough interactions with returning foragers, and what you see are the returning foragers going into the tunnel, into the nest, and meeting outgoing foragers on their way out. This makes sense for the ant colony, because the more food there is out there, the more quickly the foragers find it, the faster they come back, and the more foragers they send out. The system works to stay stopped, unless something positive happens.
Så kommunikationen aktiverer fødeindsamlerne. Vi har studeret evolutionen af dette system. For det første er der variation. Det viser sig at kolonier er forskellige. På tørre dage samler nogle kolonier mindre mad, så kolonier har forskellige prioriteringer mellem at bruge vand for at samle føde og få vand tilbage i form af frø. Vi prøver at forstå hvorfor nogle kolonier samler mindre føde end andre ved at sammenligne myrer med neuroner ved hjælp af modeller fra neurovidenskab. En neuron tager summen af alle input fra andre neuroner for at afgøre om den skal transmittere. En myre tager også summen af input fra andre når den skal afgøre om den skal ud at lede. Og vi ser efter om der kunne være små forskelle mellem kolonierne på hvor mange input hver myre behøver før den er klar til at gå ud og lede, fordi disse kolonier ville samle mindre føde.
So interactions function to activate foragers. And we've been studying the evolution of this system. First of all, there's variation. It turns out that colonies are different. On dry days, some colonies forage less, so colonies are different in how they manage this trade-off between spending water to search for seeds and getting water back in the form of seeds. And we're trying to understand why some colonies forage less than others by thinking about ants as neurons, using models from neuroscience. So just as a neuron adds up its stimulation from other neurons to decide whether to fire, an ant adds up its stimulation from other ants to decide whether to forage. And what we're looking for is whether there might be small differences among colonies in how many interactions each ant needs before it's willing to go out and forage, because a colony like that would forage less.
Og vi kan spørge det samme om hjerner. Vi snakker om hjernen men hver hjerne er lidt forskellig og måske er der nogle mennesker eller nogle omstændigheder hvor neuronernes elektriske egenskaber kræver mere stimulering for at transmittere og det ville give forskellig hjernefunktion.
And this raises an analogous question about brains. We talk about the brain, but of course every brain is slightly different, and maybe there are some individuals or some conditions in which the electrical properties of neurons are such that they require more stimulus to fire, and that would lead to differences in brain function.
For at stille spørgsmål om evolution må vi kende forplantningens succes. Dette er et kort over området hvor jeg har fulgt en population af myrekolonier i 28 år, hvilket er en kolonis levetid. Hvert symbol er en koloni og størrelsen er antal efterkommere den har. Vi kan nemlig bruge genetisk variation til at matche kolonier og deres aflæggere, altså finde hvilke kolonier der er grundlagt af døtre af hvilke moderkolonier. Og det var utroligt for mig, efter alle de år at opdage at f.eks. koloni 154 som jeg har kendt godt i mange år er en oldemor-koloni. Her er dens datterkoloni, denne koloni er 3. generation og disse er 4. generationskolonier. På den måde kunne jeg lære at efterkommere ligner deres ophav i måden de beslutter om det er for varmt til at søge føde. Kolonier og deres efterkommere er så langt fra hinanden at myrerne aldrig mødes så myrerne i en koloni kan ikke have lært det af moderkolonien. Næste skridt er så at undersøge den genetiske variation bagved ligheden.
So in order to ask evolutionary questions, we need to know about reproductive success. This is a map of the study site where I have been tracking this population of harvester ant colonies for 28 years, which is about as long as a colony lives. Each symbol is a colony, and the size of the symbol is how many offspring it had, because we were able to use genetic variation to match up parent and offspring colonies, that is, to figure out which colonies were founded by a daughter queen produced by which parent colony. And this was amazing for me, after all these years, to find out, for example, that colony 154, whom I've known well for many years, is a great-grandmother. Here's her daughter colony, here's her granddaughter colony, and these are her great-granddaughter colonies. And by doing this, I was able to learn that offspring colonies resemble parent colonies in their decisions about which days are so hot that they don't forage, and the offspring of parent colonies live so far from each other that the ants never meet, so the ants of the offspring colony can't be learning this from the parent colony. And so our next step is to look for the genetic variation underlying this resemblance.
Jeg spurgte, okay, hvem klarer sig bedst? I løbet af den periode vi har forsket og særlig de sidste 10 år har der været en alvorlig tørke i det sydvestlige USA og det har vist sig at kolonier som sparer vand, som holder sig indendørs når det er varmt og dermed ofrer at få mest mulig føde, er de kolonier som formerer sig mest. Så jeg troede hele tiden at koloni 154 var en taber, fordi på meget varme dage var kun enkelte ude for at samle føde, mens de andre kolonier var ude og samle masser af føde, men i virkeligheden er koloni 154 en stor succes. Hun er en matriark. Hun er en af de få oldemødre på stedet. Så vidt jeg ved er det første gang man har kunnet følge med på evolutionen af kollektiv adfærd i en naturlig population af dyr og finde ud af hvad der virker bedst.
So then I was able to ask, okay, who's doing better? Over the time of the study, and especially in the past 10 years, there's been a very severe and deepening drought in the Southwestern U.S., and it turns out that the colonies that conserve water, that stay in when it's really hot outside, and thus sacrifice getting as much food as possible, are the ones more likely to have offspring colonies. So all this time, I thought that colony 154 was a loser, because on really dry days, there'd be just this trickle of foraging, while the other colonies were out foraging, getting lots of food, but in fact, colony 154 is a huge success. She's a matriarch. She's one of the rare great-grandmothers on the site. To my knowledge, this is the first time that we've been able to track the ongoing evolution of collective behavior in a natural population of animals and find out what's actually working best.
Internettet bruger en algoritme til at styre strømmen af data som ligner den algoritme myrer bruger til at styre strømmen af myrer der samler føde. Og gæt hvad vi kalder denne analogi: Anternettet er her. (Applaus) Data forlader ikke en afsender medmindre den får signal om nok båndbredde til at sende datamængden på. I internettets barndom da driftsomkostningerne var høje og det var vigtigt ikke at miste data da var systemet sat op med signaler som kan aktivere en strøm af data. Det er interessant at myrer bruger en algoritme som ligner den vi mennesker har opfundet, men dette er bare en af nogle få myrealgoritmer vi kender til, og myrer har haft 130 millioner år til at udvikle mange gode algoritmer, og jeg tror det er sandsynligt at nogle af de andre 12.000 arter har nogle interessante algoritmer for datanetværk som vi ikke har tænkt på endnu.
Now, the Internet uses an algorithm to regulate the flow of data that's very similar to the one that the harvester ants are using to regulate the flow of foragers. And guess what we call this analogy? The anternet is coming. (Applause) So data doesn't leave the source computer unless it gets a signal that there's enough bandwidth for it to travel on. In the early days of the Internet, when operating costs were really high and it was really important not to lose any data, then the system was set up for interactions to activate the flow of data. It's interesting that the ants are using an algorithm that's so similar to the one that we recently invented, but this is only one of a handful of ant algorithms that we know about, and ants have had 130 million years to evolve a lot of good ones, and I think it's very likely that some of the other 12,000 species are going to have interesting algorithms for data networks that we haven't even thought of yet.
Hvad sker der hvis driftsomkostningerne er lave? Omkostningerne er lave i troperne fordi luften er fugtig og det er let for myrerne at gå rundt udendørs. Men der er så mange myrer og diversiteten er stor i troperne så der er stor konkurrence. Hvis en art bruger en ressource er der sikkert en anden art der også bruger den på samme tid. I dette miljø bruges kommunikation til det modsatte. Systemet arbejder hele tiden indtil noget negativt sker, og en art jeg undersøgte laver kredsløb af myrer rundt i træerne fra boet til fødekilderne og tilbage igen de går rundt og rundt medmindre der sker noget negativt som f.eks. et møde med myrer af en anden art. Her er et eksempel på myresikkerhed. I midten er der en myre som lukker indgangen til boet med sit hovede som reaktion på et møde med en anden art. Det er de små som løber rundt med deres maver op i luften. Men så snart faren er ovre åbner indgangen igen, og måske er der situationer indenfor computersikkerhed hvis driftsomkostninger er lave nok hvor vi bare kan blokere adgangen midlertidigt i respons til en trussel og så åbne igen, i stedet for at bygge en permanent brandmur eller en fæstning.
So what happens when operating costs are low? Operating costs are low in the tropics, because it's very humid, and it's easy for the ants to be outside walking around. But the ants are so abundant and diverse in the tropics that there's a lot of competition. Whatever resource one species is using, another species is likely to be using that at the same time. So in this environment, interactions are used in the opposite way. The system keeps going unless something negative happens, and one species that I study makes circuits in the trees of foraging ants going from the nest to a food source and back, just round and round, unless something negative happens, like an interaction with ants of another species. So here's an example of ant security. In the middle, there's an ant plugging the nest entrance with its head in response to interactions with another species. Those are the little ones running around with their abdomens up in the air. But as soon as the threat is passed, the entrance is open again, and maybe there are situations in computer security where operating costs are low enough that we could just block access temporarily in response to an immediate threat, and then open it again, instead of trying to build a permanent firewall or fortress.
En anden udfordring i et miljø som alle systemer står overfor er ressourcer og at skaffe dem. For at klare dette løser myrer problemet at søge kollektivt og dette problem har stor interesse indenfor robotteknologi fordi vi har forstået at i stedet for at sende en enkelt sofistikeret og dyr robot ud for at udforske en anden planet eller for at gennemsøge en brændende bygning, kan det være mere effektivt at bruge en gruppe af billige robotter som udveksler minimal information, og det er sådan myrer gør det. Den invasive argentinske myre laver udvidbare søgenetværk. De er gode til at løse hovedproblemet i kollektiv søgning, som er valget mellem at søge meget grundigt eller dække et stort område. Det de gør er at når mange myrer er tilstede i et lille område kan hver af dem søge grundigt fordi der vil være en anden myre i nærheden som søger der men når der er få myrer på et stort område må de strække deres stier for at dække et større område. Jeg tror de bruger kommunikation til at måle tæthed, så når der er trængsel mødes de oftere og de kan søge grundigere. Forskellige myrearter må bruge forskellige algoritmer, fordi de har udviklet sig til at bruge forskellige ressourcer, og det kunne være nyttigt at vide mere så vi har fornylig spurgt myrerne om at løse det kollektive søgeproblem i det ekstreme miljø af mikrogravitation i Den Internationale Rumstation. Da jeg først så dette billede tænkte jeg åh nej, de har monteret habitatet lodret, men så kom jeg på at det er ligegyldigt. Ideen er at myrerne må arbejde så hårdt for at holde sig fast til væggen eller gulvet eller hvad man kalder det at de vil kommunikere mindre, så sammenhængen mellem hvor meget trængsel der er og hvor ofte de mødes vil blive forstyrret. Vi analyserer stadig data. Jeg har ikke resultaterne endnu. Men det ville være interessant at vide hvordan andre arter løser dette problem i andre miljøer på Jorden, så vi er ved at starte et program som skal få børn rundt om i verden til at eksperimentere med forskellige arter. Det er meget simpelt. Det kan gøres med billige materialer. På den måde kan vi lave et globalt kort over myrers kollektive søgealgoritmer. Og jeg tror at de invasive arter, dem som kommer ind i vores huse, vil være rigtig gode til dette for de er i køkkenet fordi de er gode til at finde mad og vand.
So another environmental challenge that all systems have to deal with is resources, finding and collecting them. And to do this, ants solve the problem of collective search, and this is a problem that's of great interest right now in robotics, because we've understood that, rather than sending a single, sophisticated, expensive robot out to explore another planet or to search a burning building, that instead, it may be more effective to get a group of cheaper robots exchanging only minimal information, and that's the way that ants do it. So the invasive Argentine ant makes expandable search networks. They're good at dealing with the main problem of collective search, which is the trade-off between searching very thoroughly and covering a lot of ground. And what they do is, when there are many ants in a small space, then each one can search very thoroughly because there will be another ant nearby searching over there, but when there are a few ants in a large space, then they need to stretch out their paths to cover more ground. I think they use interactions to assess density, so when they're really crowded, they meet more often, and they search more thoroughly. Different ant species must use different algorithms, because they've evolved to deal with different resources, and it could be really useful to know about this, and so we recently asked ants to solve the collective search problem in the extreme environment of microgravity in the International Space Station. When I first saw this picture, I thought, Oh no, they've mounted the habitat vertically, but then I realized that, of course, it doesn't matter. So the idea here is that the ants are working so hard to hang on to the wall or the floor or whatever you call it that they're less likely to interact, and so the relationship between how crowded they are and how often they meet would be messed up. We're still analyzing the data. I don't have the results yet. But it would be interesting to know how other species solve this problem in different environments on Earth, and so we're setting up a program to encourage kids around the world to try this experiment with different species. It's very simple. It can be done with cheap materials. And that way, we could make a global map of ant collective search algorithms. And I think it's pretty likely that the invasive species, the ones that come into our buildings, are going to be really good at this, because they're in your kitchen because they're really good at finding food and water.
Den kendteste ressource for myrer er en picknick, og det er en koncentreret ressource. Hvor der er et stykke frugt er der sandsynligvis mere frugt i nærheden. Myrer som specialiserer sig i koncentrerede ressourcer bruger kommunikation til rekruttering. Når en myre møder en anden, eller støder på et kemisk spor lagt på jorden af en anden myre, så ændrer den retning og følger i samme retning og på den måde får du en sti af myrer som spiser din picknick.
So the most familiar resource for ants is a picnic, and this is a clustered resource. When there's one piece of fruit, there's likely to be another piece of fruit nearby, and the ants that specialize on clustered resources use interactions for recruitment. So when one ant meets another, or when it meets a chemical deposited on the ground by another, then it changes direction to follow in the direction of the interaction, and that's how you get the trail of ants sharing your picnic.
Dette er et område hvor jeg tror vi kan lære noget af myrerne om kræft. For det første er det klart at vi kan gøre meget for at forhindre kræft ved at forbyde folk at sprede sig eller sælge de giftstoffer som fremmer udviklingen af kræft i kroppen, men det tror jeg ikke myrerne kan hjælpe os med fordi myrer aldrig forgifter deres egne samfund. Men vi kan måske lære noget af myrer om behandling af kræft. Der er mange slags kræft. Hver af dem opstår i en bestemt del af kroppen og nogle kræfttyper vil så sprede sig og metastaser etablerer sig i andre væv hvor de må skaffe de ressourcer de behøver. Hvis vi tænker os de tidlige metastatiske kræftceller når de er ude og leder efter de ressourcer de behøver, og hvis disse ressourcer findes i klynger, så vil de måske bruge kommunikation til rekruttering, og hvis vi finder ud af hvordan kræftceller rekrutterer kunne vi måske sætte fælder for at fange dem før de etablerer sig.
Now this is a place where I think we might be able to learn something from ants about cancer. I mean, first, it's obvious that we could do a lot to prevent cancer by not allowing people to spread around or sell the toxins that promote the evolution of cancer in our bodies, but I don't think the ants can help us much with this because ants never poison their own colonies. But we might be able to learn something from ants about treating cancer. There are many different kinds of cancer. Each one originates in a particular part of the body, and then some kinds of cancer will spread or metastasize to particular other tissues where they must be getting resources that they need. So if you think from the perspective of early metastatic cancer cells as they're out searching around for the resources that they need, if those resources are clustered, they're likely to use interactions for recruitment, and if we can figure out how cancer cells are recruiting, then maybe we could set traps to catch them before they become established.
Så myrer bruger kommunikation på mange måder i mange slags miljøer og vi kunne lære noget af dette om andre systemer som virker uden en central kontrol. Kun ved hjælp af simpel kommunikation har myresamfund udført utrolige ting i mere end 130 millioner år. Vi har meget at lære af dem.
So ants are using interactions in different ways in a huge variety of environments, and we could learn from this about other systems that operate without central control. Using only simple interactions, ant colonies have been performing amazing feats for more than 130 million years. We have a lot to learn from them.
Tak.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)