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.
Estudio las hormigas en el desierto, el bosque tropical, en mi cocina y en las colinas que rodean Silicon Valley, donde vivo. Me he dado cuenta de que las hormigas interactúan de forma diferente en diferentes ambientes. Y pensé que podríamos aprender de esto sobre otros sistemas, como los cerebros y las redes de datos que creamos e incluso el cáncer.
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.
Lo que estos sistemas tienen en común es que no hay un control central. Una colonia de hormigas está compuesta por trabajadoras estériles, las que se ven andando por ahí, y por una o más hembras reproductoras que solo ponen los huevos. No dan instrucciones. Aunque se les llama reinas, no le dicen a nadie qué hacer. En una colonia de hormigas, no hay nadie al mando. Todos los sistemas como este, sin control central, se controlan a través de interacciones simples. Las hormigas interactúan con el olfato. Huelen con sus antenas e interactúan con sus antenas. Cuando una hormiga toca a otra con su antena, sabe, por ejemplo, si la otra es compañera de nido y qué tarea ha estado haciendo. Aquí ven muchas hormigas moviéndose e interactuando en un campo de laboratorio conectado a otros dos campos por medio de tubos. Cuando una hormiga se encuentra con otra, no importa qué hormiga se encuentre, y en realidad no se transmiten ninguna señal o mensaje complicado. Lo importante es el ritmo en el que se encuentra con otras hormigas. Todas estas interacciones juntas producen una red. Esta es la red de las hormigas que acaban de ver moviéndose en el campo. Y esta red, en constante movimiento, produce el comportamiento de la colonia, como que todas las hormigas se escondan en el nido o cuántas irán a buscar comida. El cerebro trabaja igual. Pero lo genial de las hormigas es que puedes ver toda la red mientras sucede.
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.
Hay más de 12 000 especies de hormigas en todos los ambientes que se imaginen, y usan las interacciones de diferente forma para enfrentar retos medioambientales. Un importante reto medioambiental con el que trata cualquier sistema son los costes operativos necesarios para que funcione el sistema. Y otro reto medioambiental son los recursos, encontrarlos y recolectarlos. En el desierto, los costes operativos son altos porque el agua escasea y las recolectoras de semillas que estudié en el desierto tienen que gastar agua para conseguir agua. Una hormiga que está buscando comida buscando semillas al sol abrasador, pierde agua en el aire. Pero la colonia consigue su agua metabolizando las grasas de las semillas que comen. Así que en este medioambiente se usan las interacciones para buscar comida. Solo salen por comida si tienen suficientes interacciones con las que vuelven de fuera. Como ven, las que vuelven con comida van al túnel, al nido, y se encuentran con las que salen. Esto tiene sentido para ellas. Cuánta más comida hay fuera, más rápido la encuentran, más rápido vuelven y envían a más hormigas fuera. El sistema permanece parado a no ser que pase algo positivo.
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.
Las interacciones activan a estas hormigas. Hemos estudiado la evolución de este sistema. Primero, hay variaciones. Resulta que las colonias son diferentes. Algunas buscan menos comida los días secos. Las colonias se diferencian en el equilibrio entre gastar agua para buscar semillas y conseguir agua en forma de semillas. Intentamos entender por qué algunas colonias buscan menos comida, pensando en las hormigas como neuronas, usando modelos de la neurociencia: al igual que una neurona añade su estímulo de otras neuronas para decidir si dispara, una hormiga añade su estímulo de otras hormigas para decidir si busca comida. Lo que buscamos es si puede haber colonias ligeramente diferentes en cuanto al número de interacciones que necesita cada hormiga para salir a buscar comida, ya que una colonia así buscaría menos comida.
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.
Esto nos lleva a una cuestión análoga sobre los cerebros. Hablamos sobre el cerebro, pero todos los cerebros son ligeramente distintos. Y quizá hay individuos o ciertas condiciones en las que las propiedades eléctricas de las neuronas son tales que se necesitan más estímulos para disparar. Esto conlleva a diferencias en la función cerebral.
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.
Para hacer preguntas evolucionarias, tenemos que saber sobre el éxito reproductivo. Este es un mapa del lugar de estudio donde he estado monitorizando a esta población de colonias de hormigas cosechadoras durante 28 años, lo que aproximadamente vive una colonia. Cada símbolo es una colonia y el tamaño del símbolo es cuántas crías tuvo ya que pudimos usar la variación genética para emparejar colonias de progenitores y colonias de crías para entender qué colonias fundó una hija reina y qué colonia de progenitores la produjo a ella. Esto fue increíble. Después de todos estos años, entender, por ejemplo, que la colonia 154, a la que conozco bien desde hace años, es bisabuela. Aquí está la colonia de su hija, aquí está la colonia de su nieta y estas son las colonias de su bisnieta. Haciendo esto, pude aprender que las colonias de las crías se parecen a las de los progenitores en sus decisiones sobre qué días son tan calurosos que no buscan comida. Y las crías y progenitores viven tan lejos los unos de los otros que nunca coinciden. De modo que las crías no pueden aprender esto de sus progenitores. Lo siguiente es buscar la variación genética subyacente en este parecido.
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.
Entonces pude preguntar, ¿quién lo está haciendo mejor? Durante el estudio, y sobre todo estos últimos 10 años, ha habido una sequía muy intensa y creciente en el suroeste de EE. UU., y resulta que las colonias que conservan agua, que se quedan dentro cuando hace mucho calor fuera y sacrifican recoger la mayor cantidad de comida posible, tienen más posibilidades de tener colonias de crías. Todo este tiempo pensé que la colonia 154 era una perdedora ya que en los días muy secos apenas buscaba comida, mientras que las otras estaban fuera, buscando muchísima. Pero, en realidad, la colonia 154 es un éxito enorme. Es una matriarca. Es una de las escasas bisabuelas del lugar. Hasta donde sé, es la primera vez que hemos podido monitorizar la evolución en curso del comportamiento colectivo en una población natural de animales y averiguar lo que funciona mejor.
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.
Internet usa un algoritmo para regular el flujo de datos, que es muy similar al que usan las hormigas para regular el flujo de las que buscan comida. ¿Adivinen cómo llamamos a esta analogía? Anternet [<i>Horminet</i> ] El <i>horminet</i> se acerca. (Aplausos) Los datos no abandonan el ordenador fuente a menos de que reciba una señal de que hay suficiente ancho de banda en el que viajar. En los principios de Internet cuando los gastos operativos eran muy altos y era muy importante no perder datos, el sistema estaba diseñado para que las interacciones activasen el flujo de datos. Es interesante que las hormigas usen un algoritmo tan similar al que hemos inventado últimamente. Pero este solo es uno del puñado de algoritmos de las hormigas que conocemos. Las hormigas han tenido 130 millones de años para desarrollar muchos muy buenos y pienso que es muy probable que algunas de las otras 12 000 especies tengan algoritmos interesantes para redes de datos que no hemos considerado todavía.
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.
¿Qué pasa si los gastos operativos son bajos? En los trópicos los gastos operativos son bajos gracias a la humedad, y para las hormigas es fácil andar por ahí. Pero las hormigas son tantas y tan diversas en los trópicos, que hay mucha competencia. Cualquier recurso que use una especie es probable que sea utilizado por otras al mismo tiempo. Así que en estos ambientes, las interacciones se usan de la forma opuesta. El sistema sigue en marcha hasta que pasa algo negativo. Una especie que estudio hace circuitos en los árboles de las hormigas buscadoras de comida, yendo del nido a la fuente de alimento y volviendo. Hasta que pasa algo negativo, como una interacción con hormigas de otra especie. Aquí hay un ejemplo de la seguridad de las hormigas. En el medio, una hormiga obstaculiza la entrada del nido con su cabeza en respuesta a las interacciones con otra especie, son las pequeñas que corren por ahí con sus abdómenes al aire. Pero en cuanto se va la amenaza, la entrada se abre de nuevo. Quizá hay situaciones en la seguridad informática, donde los gastos operativos son lo suficientemente bajos como para bloquear el acceso temporalmente en respuesta a una amenaza y luego abrirlo, en vez de construir un fuerte o un firewall permanente.
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.
Otro reto medioambiental que enfrentan todos los sistemas son los recursos, encontrarlos y recolectarlos. Para ello, las hormigas resuelven el problema de la búsqueda colectiva, un problema que ahora mismo es de gran interés en robótica porque hemos entendido que más que enviar fuera un robot único, sofisticado y caro a explorar otro planeta o a buscar en un edificio en llamas, quizá pueda ser más eficaz conseguir un grupo de robots más baratos que intercambien solo una mínima información. Así es como lo hacen las hormigas. La hormiga argentina invasora hace redes de búsqueda expandibles. Son buenas en lidiar con el problema principal de la búsqueda colectiva, que es la compensación entre buscar cuidadosamente y cubrir mucho terreno. Y lo que hacen es que cuando hay muchas hormigas en un espacio pequeño busca cada una muy cuidadosamente porque habrá otra hormiga cerca buscando por allí. Pero cuando hay pocas hormigas en un espacio grande, tienen que extender sus caminos para cubrir más terreno. Creo que usan interacciones para evaluar la densidad. Cuando hay muchas juntas, interactúan más y buscan más cuidadosamente. Diferentes especies de hormigas deben usar diferentes algoritmos porque han evolucionado para lidiar con diferentes recursos. Puede ser muy útil saber esto. Recientemente, le pedimos a las hormigas que resolviesen el problema de búsqueda colectiva en un ambiente extremo de microgravedad en la Estación Espacial Internacional. Al ver la foto pensé, Oh no, montaron el hábitat verticalmente. Luego me di cuenta de que no importa. La idea es que las hormigas están trabajando tan duro para agarrarse a la pared o al suelo, o como quieran llamarlo, que es menos probable que interactúen y entonces, la relación entre su apiñamiento y la frecuencia de sus encuentros se dañarían. Estamos analizándolo. No tengo los resultados aún. Pero sería interesante saber cómo lo resuelven otras especies en diferentes ambientes de la Tierra. Estamos creando un programa para animar a los niños de todo el mundo a probar este experimento con diferentes especies. Es muy simple y puede hacerse con materiales baratos. Y así, haríamos un mapa global de algoritmos de búsquedas colectivas de las hormigas. Es muy probable que la especie invasora, las que entran en nuestros edificios, sean muy buenas en esto, ya que están en su cocina porque son muy buenas encontrando comida y agua.
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.
El recurso más conocido para las hormigas es un picnic. Este es un recurso agrupado. Cuando hay un trozo de fruta, puede haber otro cerca. Y las hormigas que se especializan en recursos agrupados usan interacciones para reclutar. Cuando una hormiga se encuentra con otra o con un químico que otra tiró al suelo, cambia de dirección para seguir la dirección de la interacción. De allí la fila de hormigas compartiendo su picnic. De aquí creo que podemos
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.
aprender algo de las hormigas sobre el cáncer. Primero, es obvio que podemos hacer mucho para prevenir el cáncer, no permitiendo que la gente propague o venda las toxinas que promueven el cáncer en nuestro cuerpo. No creo que las hormigas puedan ayudarnos mucho con esto. Ellas nunca envenenan a sus colonias. Pero podemos aprender algo de ellas para el tratamiento del cáncer. Hay muchos tipos de cáncer. Cada uno empieza en una parte particular del cuerpo y luego algunos tipos de cáncer se expanden o metastatizan a otros tejidos de donde consiguen los recursos que necesitan. Si piensan desde la perspectiva de las células iniciales cancerígenas metastásicas que están fuera buscando los recursos que necesitan, si esos recursos están agrupados, probablemente usarán interacciones para reclutar, y si podemos averiguar cómo reclutan estas células, quizá podríamos ponerles trampas, atraparlas antes de que se establezcan.
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.
Las hormigas usan interacciones de formas diferentes en una gran variedad de ambientes. Nosotros podríamos aprender de esto, sobre otros sistemas que operan sin control central. Usando solo simples interacciones, las colonias de hormigas han conseguido logros maravillosos durante más de 130 millones de años. Tenemos mucho que aprender de ellas.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)