Ich erforsche Ameisen in der Wüste, im Regenwald und in meiner Küche sowie in den Hügeln rund um das Silicon Valley, wo ich lebe. Vor Kurzem wurde mir klar, dass Ameisen je nach Umgebung unterschiedlich interagieren und mir kam der Gedanke, daraus etwas über andere Systeme lernen zu können, wie Gehirne und Datennetzwerke, die wir entwickeln, und sogar Krebs.
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.
All diese Systeme haben gemeinsam, dass es keine zentrale Kontrolle gibt. Eine Ameisenkolonie besteht aus unfruchtbaren Arbeiterinnen -- diese Ameisen sehen Sie umherlaufen -- und ein oder mehrere fruchtbare Weibchen, die nur Eier legen. Sie geben keine Anweisungen. Auch wenn sie Königinnen heißen, sagen sie niemandem, was zu tun ist. In einer Ameisenkolonie hat also niemand das Sagen, und Systeme wie dieses, ohne zentrale Kontrolle, werden durch ganz einfache Interaktionen gesteuert. Ameisen interagieren durch ihren Geruchssinn. Sie riechen mit ihren Fühlern, sie interagieren mit ihren Fühlern. Wenn sich zwei Ameisen also mit ihren Fühlern berühren, wissen sie zum Beispiel, ob sie zur gleichen Kolonie gehören und welche Arbeit sie jeweils verrichtet haben. Hier sehen Sie viele Ameisen, die im Laborbereich herumlaufen und interagieren. Dieser Bereich ist durch Röhren mit zwei anderen Bereichen verbunden. Wenn eine Ameise auf eine andere trifft, geht es nicht darum, welche Ameise das ist, und sie übertragen eigentlich kein kompliziertes Signal und keine Nachricht. Wichtig ist nur die Frequenz, mit der sie aufeinandertreffen. All diese Interaktionen zusammen ergeben ein Netzwerk. Das ist das Netzwerk der Ameisen, die Sie eben im Laborbereich in Bewegung gesehen haben, und dieses sich ständig verändernde Netzwerk führt zum Verhalten der Kolonie, zum Beispiel ob sich alle Ameisen im Nest verstecken, oder wie viele draußen nach Futter suchen. Ein Gehirn funktioniert ebenso, das Tolle an Ameisen ist aber, dass man das ganze Netzwerk direkt beobachten kann.
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.
Es gibt mehr als 12 000 Ameisenarten in jeder erdenklichen Umgebung, die unterschiedlich interagieren, um umweltbedingte Herausforderungen zu bewältigen. Eine wichtige umweltbedingte Herausforderung, die jedes System betrifft, sind die Betriebskosten, also was man braucht, damit das System funktioniert. Eine andere umweltbedingte Herausforderung ist das Finden und Sammeln von Ressourcen. In der Wüste sind die Betriebskosten hoch, da Wasser selten ist. Die samenfressenden Wüstenameisen, die ich erforsche, müssen Wasser verbrauchen, um Wasser zu bekommen. Eine Ameise, die draußen in der heißen Sonne nach Samen sucht, verliert einfach Wasser an die Luft. Aber die Kolonie gewinnt Wasser durch Umwandlung von Fett aus Samen, die die Ameisen fressen. In diesem Umfeld dienen Interaktionen dazu, die Futtersuche anzuregen. Eine Ameise geht erst nach genug Interaktionen mit heimkehrenden Ameisen auf Futtersuche. Hier sehen Sie die heimkehrenden Ameisen, im Gang, im Nest, die hinauslaufende Ameisen treffen. Das ist in einer Kolonie sinnvoll, denn je mehr Futter da draußen ist, desto schneller finden die Ameisen es und kommen zurück, und desto mehr Ameisen schicken sie hinaus. Das System bleibt im Stillstand, bis etwas Positives passiert.
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.
Interaktionen aktivieren also die Futter suchenden Ameisen. Wir haben die Entwicklung dieses Systems erforscht. Es gibt Abweichungen. Es zeigt sich, dass Kolonien unterschiedlich sind. An trockenen Tagen suchen manche seltener nach Futter. Es ist also unterschiedlich, wie Kolonien den Ausgleich zwischen dem Wasserverbrauch bei der Suche nach Samen und der Wassergewinnung durch die Samen schaffen. Und wir versuchen zu verstehen, warum manche Völker weniger suchen als andere, indem wir Ameisen als Neuronen sehen und Modelle der Neurowissenschaft verwenden. Neuronen addieren Stimulationen durch andere Neuronen, um zu entscheiden, ob sie feuern -- genauso addieren Ameisen Stimulationen durch andere Ameisen, um zu entscheiden, ob sie Futter suchen. Wir wollen herausfinden, ob es Unterschiede zwischen Völkern gibt, wie viele Interaktionen jede Ameise benötigt, bevor sie draußen nach Futter sucht, weil ein solches Volk weniger oft nach Futter sucht.
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.
Das wirft eine analoge Frage über Gehirne auf. Wir sprechen über das Gehirn, aber natürlich ist jedes Gehirn ein wenig anders. Vielleicht gibt es Personen oder Umstände, unter denen die elektrischen Eigenschaften von Neuronen mehr Anreiz brauchen, um zu feuern, und das würde zu Unterschieden der Gehirnfunktion führen.
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.
Um evolutionäre Fragen zu stellen, müssen wir über Fortpflanzungserfolg Bescheid wissen. Das ist die Karte eines Beobachtungsgeländes, an dem ich eine Population von Ernteameisen-Kolonien 28 Jahre lang beobachtete. So lange lebt eine Kolonie etwa. Jedes Symbol ist ein Volk, und die Größe des Symbols stellt dar, wie viele Nachkommen es hatte, denn durch genetische Variationen konnten wir Mutter- und Tochter-Kolonien einander zuordnen, also feststellen, welche Kolonien von einer Tochterkönigin gegründet wurden und von welcher Mutterkolonie sie stammt. Nach all diesen Jahren war ich erstaunt, beispielsweise herauszufinden, dass Kolonie 154, die ich viele Jahre gut gekannt hatte, eine Urgroßmutter ist. Das hier ist ihre Tochterkolonie, das hier ist ihre Tochterkolonie zweiter Generation, und dies die Tochterkolonien dritter Generation. Dadurch habe ich herausgefunden, dass nachkommende Kolonien den Mutterkolonien ähneln, wenn sie entscheiden, welche Tage zu heiß für die Futtersuche sind. Nachkommen der Mutterkolonien leben so weit von ihr entfernt, dass sich die Ameisen nie treffen, also können die Ameisen der Tochterkolonie es nicht von der Mutterkolonie lernen. Unser nächster Schritt ist, nach der genetischen Variation zu suchen, die dieser Ähnlichkeit zugrunde liegt.
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.
Dann konnte ich fragen: Wer macht es besser? Im Laufe der Studie, vor allem in den letzten 10 Jahren, gab es eine ernste und schlimmer werdende Dürre im Südwesten der USA. Es zeigt sich, dass es bei Kolonien, die Wasser sparen, die drinnen bleiben, wenn es draußen wirklich heiß ist, und somit nicht so viel Futter wie möglich sammeln, wahrscheinlicher ist, dass sie Tochterkolonien gründen. Ich hielt die Kolonie 154 die ganze Zeit für einen Verlierer, denn an sehr heißen Tagen suchten nur wenige Ameisen nach Futter, während die anderen Kolonien draußen waren, viel Futter sammelten, aber tatsächlich ist Kolonie 154 ein großer Erfolg. Sie ist eine Matriarchin. Sie ist eine der seltenen Urgroßmütter auf dem Beobachtungsplatz. Meines Wissens haben wir es zum ersten Mal geschafft, die laufende Entwicklung kollektiven Verhaltens bei einer natürlichen Population von Tieren zu verfolgen und herauszufinden, was am besten funktioniert.
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.
Das Internet verwendet einen Algorithmus zur Steuerung des Datenflusses, der jenem sehr ähnlich ist, den Ernteameisen zur Steuerung des Flusses Futter suchender Ameisen nutzen. Und raten Sie, wie wir diese Analogie nennen? Das Anternet kommt. [ant = Ameise] (Applaus) Daten verlassen den Ursprungscomputer nicht, bevor ein Signal kommt, dass genug Bandbreite vorhanden ist, um weitergeleitet zu werden. Zur Anfangszeit des Internets, als die Betriebskosten sehr hoch waren und es sehr wichtig war, keine Daten zu verlieren, war das System auf Interaktion ausgerichtet, um den Datenfluss zu aktivieren. Interessanterweise verwenden Ameisen einen Algorithmus, der jenem sehr ähnelt, den wir kürzlich erfunden haben, aber das ist nur einer von einer Handvoll Ameisenalgorithmen, die wir kennen, und Ameisen hatten 130 Millionen Jahre Zeit, viele gute zu entwickeln. Es ist sehr wahrscheinlich, dass einige der anderen 12 000 Arten interessante Algorithmen für Datennetzwerke haben, an die wir noch nicht einmal gedacht haben.
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.
Was aber passiert, wenn die Betriebskosten niedrig sind? In den Tropen ist es sehr feucht und einfach für die Ameisen, draußen herumzulaufen. Aber in den Tropen sind Ameisen so häufig und vielfältig, dass es viel Wettbewerb gibt. Nutzt eine Art eine Ressource, wird wahrscheinlich eine andere Art diese Ressource zur gleichen Zeit nutzen. In dieser Umgebung werden Interaktionen umgekehrt eingesetzt. Das System läuft, bis etwas Negatives geschieht. Eine Art, die ich erforsche, macht Kreise auf den Bäumen Futter suchender Ameisen, vom Nest zu einer Futterquelle und zurück, immer im Kreis, bis etwas Negatives geschieht, wie eine Interaktion mit Ameisen einer anderen Art. Hier ist ein Beispiel von Ameisensicherheit. In der Mitte ist eine Ameise, die den Eingang mit ihrem Kopf blockiert, als Reaktion auf Interaktionen mit anderen Arten. Das sind die kleinen, die mit erhobenen Hinterleibern herumlaufen. Aber sobald die Gefahr vorüber ist, ist der Eingang wieder offen. Vielleicht gibt es Situationen in der Computersicherheit, in denen die Betriebskosten niedrig genug sind, sodass wir den Zugang vorübergehend blockieren könnten, um auf eine unmittelbare Gefahr zu reagieren, und ihn dann wieder öffnen, statt es mit dem Aufbau einer dauerhaften Firewall oder Festung zu versuchen.
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.
Eine andere Herausforderung der Umwelt, die alle Systeme betrifft, ist das Finden und Sammeln von Ressourcen. Dazu lösen Ameisen das Problem der kollektiven Suche, und dieses Problem ist im Bereich Robotik gerade hochaktuell. Wir haben Folgendes gelernt: Anstatt einen einzelnen, komplexen, teuren Roboter einzusetzen, um andere Planeten zu erforschen oder ein brennendes Gebäude abzusuchen, ist es vielleicht besser, eine Gruppe billigerer Roboter dazu zu bringen, nur minimale Informationen auszutauschen -- und so machen es Ameisen. Die invasive Argentinische Ameise formt erweiterbare Suchnetzwerke. Sie sind gut im Umgang mit dem Hauptproblem der kollektiven Suche, nämlich dem Kompromiss zwischen einer sehr genauen Suche und dem Absuchen von großen Gebieten. Sie tun Folgendes: Wenn viele Ameisen auf engem Raum sind, kann jede von ihnen sehr genau suchen, weil daneben eine andere ist, die weiter drüben sucht. Aber wenn wenige Ameisen auf großem Raum sind, müssen sie ihre Wege ausweiten, um ein größeres Gebiet abzudecken. Ich denke, dass sie durch Interaktion die Dichte abschätzen, wenn es also eng ist, treffen sie sich öfter und suchen gründlicher. Ameisenarten müssen unterschiedliche Algorithmen einsetzen, da sie im Laufe der Evolution mit unterschiedlichen Ressourcen umgehen mussten. Dieses Wissen könnte sehr nützlich sein, und deshalb ließen wir vor Kurzem Ameisen das Problem der kollektiven Suche im extremen Umfeld der Mikroschwerkraft in der Internationalen Raumstation lösen. Zuerst dachte ich bei dem Bild: "Oh nein, sie bewegen sich vertikal in ihrem Lebensraum", aber dann merkte ich, dass es ja nichts macht. Die Idee dahinter ist, dass Ameisen sich so anstrengen, sich an der Wand oder dem Boden oder anderen Stellen festzuhalten, dass sie mit geringerer Wahrscheinlichkeit interagieren. Das Verhältnis davon, wie eng es ist und wie oft sie sich treffen, wird durcheinandergebracht. Die Datenanalyse läuft noch. Ich habe noch keine Ergebnisse. Aber es wäre interessant zu wissen, wie andere Arten dieses Problem in unterschiedlichen Umgebungen der Erde lösen. Wir starten gerade ein Programm, um Kinder weltweit dazu zu bringen, das Experiment mit verschiedenen Arten zu versuchen. Es ist ganz einfach. Es reicht billiges Material. Und so hätten wir eine globale Karte von Ameisenalgorithmen zur kollektiven Suche. Ich halte es für wahrscheinlich, dass invasive Arten, jene, die in unsere Gebäude kommen, darin sehr gut sind, denn sie sind in Ihrer Küche, weil sie sehr gut im Finden von Futter und Wasser sind.
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.
Die bekannteste Ressource für Ameisen ist ein Picknick, und es ist eine gebündelte Ressource. Wo ein Obststück ist, ist wahrscheinlich auch ein zweites daneben, und Ameisen, die sich auf gebündelte Ressourcen spezialisieren, nutzen Interaktionen zur Rekrutierung. Stößt eine Ameise auf eine andere, oder eine Chemikalie, die eine andere dort hinterlassen hat, ändert sie die Richtung, um der Interaktionsrichtung zu folgen, und so kommt es zu Ameisenstraßen bei Ihrem 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.
Ich denke, hier können wir von Ameisen vielleicht etwas über Krebs lernen. Es ist offensichtlich, dass wir viel tun könnten, um Krebs zu verhindern, indem wir es verbieten, Gifte zu verbreiten oder zu verkaufen, die die Entstehung von Krebs in unseren Körpern fördern. Aber dabei können uns Ameisen nicht viel helfen, da sie nie ihre eigenen Kolonien vergiften. Aber wir können vielleicht von ihnen etwas über Heilung lernen. Es gibt viele verschiedene Arten von Krebs. Jede entsteht in einem bestimmten Körperteil, und dann breiten sich einige Arten aus oder metastasieren auf anderes Gewebe, wo sie die Ressourcen bekommen müssen, die sie brauchen. Stellen Sie sich metastatische Krebszellen im Frühstadium vor, die auf der Suche nach Ressourcen sind, die sie brauchen. Wenn diese Ressourcen gebündelt sind, nutzen sie wahrscheinlich Interaktionen zur Rekrutierung. Wenn wir herausfinden können, wie Krebszellen andere rekrutieren, dann könnten wir vielleicht Fallen aufstellen, um sie einzufangen, bevor sie sich niederlassen.
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.
Ameisen interagieren also auf unterschiedliche Weise in den vielfältigsten Umgebungen, und wir können daraus etwas über andere Systeme lernen, die ohne zentrale Kontrolle funktionieren. Nur durch einfache Interaktionen vollbrachten Ameisenkolonien über 130 Millionen Jahre großartige Leistungen. Wir können viel von ihnen lernen.
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.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)