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.
Studio le formiche nel deserto, nella foresta tropicale e nella mia cucina, e nelle colline che circondano la Silicon Valley, dove abito. Di recente, mi sono accorta che le formiche usano le interazioni diversamente a seconda degli ambienti, e questo mi ha fatto pensare che, grazie a loro, possiamo approfondire altri sistemi, come il cervello e le reti di dati che progettiamo, e persino il cancro.
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.
Perciò, quello che tutti questi sistemi hanno in comune è che non c'è un controllo centrale. Una colonia di formiche consiste in formiche operaie femmine e sterili, sono le formiche che vedete in giro, e poi ci sono una o più formiche che si riproducono e depongono le uova e basta. Non danno alcun tipo di istruzioni. Sebbene si chiamino regine, non dicono a nessuno che cosa fare. Perciò, nella colonia di formiche, non c'è un capo, e tutti i sistemi che funzionano senza un controllo centrale sono regolati da interazioni molto semplici. Le formiche interagiscono attraverso l'olfatto. Sentono gli odori grazie alle loro antenne, e interagiscono con le loro antenne, così quando una formica ne tocca un'altra con le antenne, ciò può indicare, per esempio, se l'altra formica è del suo stesso nido e che ruolo ha l'altra formica. Qui vedete molte formiche che si muovono e interagiscono in un' istallazione di laboratorio collegato a con dei tubi ad altre due. Quando una formica ne incontra un'altra, non importa quale, in realtà non si trasmettono alcun tipo di segnale o messaggio complicato. Tutto ciò che importa alla formica è la frequenza con cui incontra altre formiche. Tutte queste interazioni, se considerate insieme, vanno a formare una rete. Perciò, questa è la rete delle formiche che avete appena visto muoversi nel laboratorio, ed è una rete in continuo cambiamento che determina il comportamento della colonia, come quando tutte le formiche si nascondono nel nido, o quante di loro escono in cerca di cibo. Il cervello funziona esattamente allo stesso modo, ma la cosa fantastica delle formiche è che si può vedere tutta la rete quando si forma.
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.
Ci sono più di 12 mila specie di formiche, in ogni ambiente immaginabile, e usano le interazioni in modo diverso per affrontare sfide ambientali diverse. Un' importante sfida ambientale che ogni sistema deve affrontare è costituita dai costi di operatività, cioè quello che serve per far funzionare il sistema. E un'altra sfida ambientale sono le risorse, trovarle e raccoglierle. Nel deserto, i costi di operatività sono alti perché l'acqua è scarsa, e le formiche che si nutrono di semi, quelle che studio nel deserto, devono disperdere acqua per avere acqua. Quindi, una formica in cerca di cibo, di semi essiccati al sole, disperde acqua nell'aria. Ma la colonia ottiene l'acqua metabolizzando i grassi dei semi che mangiano. In quest'ambiente, le interazioni vengono usate per attivare la ricerca di cibo. Una foraggera che sta per uscire non lo fa a meno che non abbia interazioni sufficienti con le foraggere che ritornano alla colonia, e qui vedete le foraggere che ritornano e vanno nella galleria del formicaio e incontrano le foraggere che stanno uscendo. Questo è sensato per la colonia di formiche perché più cibo c'è nell'ambiente, più velocemente lo trovano le foraggere, più velocemente ritornano, e più formiche mandano fuori dal nido. Il sistema funziona per restare stabile, a meno che non succeda qualcosa di 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.
Perciò, le interazioni funzionano per attivare le foraggere. E ho studiato l'evoluzione di questo sistema. Prima di tutto, ci sono varianti. Risulta che le colonie sono diverse. Nelle giornate afose, alcune colonie raccolgono meno cibo, perciò le colonie si differenziano per come gestiscono il compromesso tra la dispersione dell'acqua per cercare i semi e riottenere l'acqua sotto forma di semi. E stiamo cercando di capire perché alcune colonie vanno in cerca di cibo meno di altre paragonando le formiche ai neuroni, usando modelli neuroscientifici. Proprio come un neurone combina la stimolazione degli altri neuroni per decidere se reagire o no, una formica combina le stimolazioni delle altre formiche per decidere se andare in cerca di cibo o no. E stiamo cercando di scoprire se ci possano essere piccole differenze tra le colonie sulla quantità di interazioni necessarie a ogni formica prima che sia disposta ad andare in cerca di provviste, perché una colonia del genere va meno in cerca di cibo.
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.
E questo solleva una questione analoga sul cervello. Abbiamo parlato del cervello, ma ovviamente ogni cervello è leggermente diverso dagli altri, e forse ci sono alcuni individui o alcune condizioni in cui le proprietà elettriche dei neuroni sono tali da richiedere maggiori stimoli per reagire, e ciò porterebbe a differenze nelle funzioni del cervello.
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.
Dunque, per fare domande sull'evoluzione, dobbiamo conoscere il successo riproduttivo. Ecco la mappa del sito di studio dove ho osservato questa popolazione di colonie di formiche mietitrici per 28 anni, ossia circa la durata vita di una colonia. Ogni simbolo rappresenta una colonia e la grandezza del simbolo indica il numero delle formiche figlie, perché possiamo usare la variazione genetica per combinare le colonie genitrici con le colonie figlie, ossia, capire quali colonie sono state fondate dalla figlia di una regina generata da quale colonia. Ed è stato straordinario per me, dopo tutti questi anni, scoprire che, per esempio, quella colonia 154 che conoscevo bene da molti anni, era una bisnonna. Ecco la sua colonia figlia, ecco la colonia di sua nipote, e queste sono le colonie della sua pronipote. E facendo questo, ho anche scoperto che le colonie figlie assomigliano a quelle genitrici quando decidono di non uscire in cerca di cibo perché fa troppo caldo, e le figlie delle colonie genitrici vivono talmente lontane le une dalle altre che le formiche non s'incontrano mai, così le formiche della colonia figlia non possono averlo imparato dalla colonia genitrice. E pertanto la prossima cosa da fare è cercare la variazione genetica che sottolinea questa somiglianza.
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.
E poi mi sono chiesta: "Qual è la migliore?" Durante la mia ricerca, e in particolare negli ultimi 10 anni, c'è stata una siccità grave e persistente nel sud-ovest degli Stati Uniti, e risulta che le colonie che conservano l'acqua, che restano nel nido quando fuori fa molto caldo, e così rinunciano a raccogliere quanto più cibo possibile, sono quelle che hanno maggiori probabilità di riprodursi. Perciò, per tutto questo tempo, pensavo che la colonia 154 fosse una perdente, perché nelle giornate afose, c'era solo una piccola fila di formiche che usciva in cerca di provviste, mentre le altre colonie erano fuori a cercare cibo, a raccogliere molte provviste, ma, in effetti, la colonia 154 è una grande vincitrice. È matriarca. È una delle rare bisnonne sul posto. A quanto ne so, questa è la prima volta che sono riuscita a seguire la continua evoluzione del comportamento collettivo nella popolazone naturale di animali e scoprire che cosa funziona meglio.
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 per regolare il flusso dei dati. È molto simile a quello che le formiche mietitrici usano per regolare il flusso delle formiche foraggere. E indovinate come chiamiamo questa analogia? Sta arrivando l'anternet. [ant = formica] (Applausi) I dati non lasciano il computer remoto a meno che non ricevano un segnale indicante una larghezza di banda sufficiente su cui viaggiare. Agli inizi di internet, i costi operativi erano altissimi ed era molto importante non perdere alcun dato, poi il sistema è stato programmato per avere interazioni che attivassero il flusso dei dati. È interessante sapere che le formiche usano un algoritmo che è molto simile a quello che abbiamo inventato noi poco tempo fa, ma questo è solamente uno dei tanti algoritmi delle formiche di cui siamo al corrente, e le formiche hanno avuto 130 milioni di anni per svilupparne molti altri, e penso che sia molto probabile che alcune delle altre 12 mila specie svilupperanno algoritmi interessanti per le reti di dati a cui noi non abbiamo ancora pensato.
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.
Perciò, che cosa succede quando i costi operativi sono bassi? I costi operativi sono bassi ai tropici, perché c'è molta umidità, ed è facile che le formiche escano dal nido. Ma le formiche sono così tante e svariate ai tropici che c'è molta competizione. Qualsiasi risorsa stia usando una specie, è probabile che anche altre specie la stiano usando nello stesso momento. Quindi, in questo ambiente le interazioni sono usate in modo opposto. Il sistema continua a funzionare a meno che non succeda qualcosa di negativo, e una specie che studio crea circuiti negli alberi delle formiche foraggere che vanno avanti e indietro dal nido al cibo, in continuazione, a meno che non accada qualcosa di negativo come un'interazione con formiche di un'altra specie. Ecco un esempio di sicurezza delle formiche. Al centro, c'è una formica che chiude l'entrata del nido con la testa in risposta alle interazioni con un'altra specie. Sono quelle piccole che corrono in giro con la pancia in su. Ma non appena la minaccia svanisce, l'entrata viene riaperta, e forse ci sono casi di sicurezza informatica dove i costi operativi sono abbastanza bassi da poter bloccare l'accesso momentaneamente in risposta a una minaccia immediata, e poi riaprirlo, invece di cercare di costruire un firewall o una protezione permanenti.
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.
Quindi, un'altra sfida ambientale che tutti i sistemi devono affrontare sono le risorse, trovarle e raccoglierle. E per fare questo, le formiche risolvono il problema della ricerca collettiva, e questo è un problema di grande interesse ora nella robotica, perché abbiamo capito che, piuttosto che mandare un solo robot sofisticato e costoso a esplorare un altro pianeta o a perlustrare un edificio in fiamme, può essere più efficace avere un insieme di robot più economici per scambiare solo le informazioni indispensabili, ed è quello che fanno le formiche. Allora, la formica invasiva argentina crea reti di ricerca estese, sono brave a gestire il problema principale della ricerca collettiva, ossia il compromesso tra la ricerca accurata e l'occupazione di tanto terreno. Ecco ciò che fanno: quando ci sono molte formiche in poco spazio, ognuna di loro può cercare in modo molto accurato perché nelle vicinanze ci sarà un'altra formica che cerca in quel posto, ma quando ci sono poche formiche in uno spazio più ampio, devono allungare i percorsi per sondare più terreno. Penso che usino le interazioni per valutare la densità, perciò quando ce ne sono tante, s'incontrano più spesso, e cercano in modo più accurato. Specie di formiche diverse devono usare algoritmi diversi perché si sono evolute per gestire risorse diverse, e potrebbe essere utile saperlo, e così di recente abbiamo chiesto alle formiche di risolvere il problema della ricerca collettiva nell'ambiente estremo della microgravità nella Stazione Spaziale Internazionale. Quando ho visto questa foto per la prima volta ho pensato: "Oh no, hanno coperto l'habitat in verticale, ma poi mi sono resa conto che, ovviamente, non è importante. L'idea è che le formiche lavorano così duramente per stare attaccate al muro o al pavimento o come altro preferite chiamarlo che è meno probabile che interagiscano, e in questo modo il rapporto tra quanto sono numerose e quante volte s'incontrano risulterebbe sbilanciato. Stiamo ancora analizzando i dati. Non ho ancora i risultati. Ma sarebbe interessante sapere come le altre specie risolvono questo problema in ambienti diversi della Terra, e perciò stiamo mettendo a punto un programma per incoraggiare i bambini di tutto il mondo a provare questo esperimento con specie diverse. È molto semplice. Si può fare con materiali che costano poco. E in questo modo, potremmo tracciare una mappa globale degli algoritmi di ricerca collettiva. E penso sia piuttosto probabile che le specie invasive, quelle che troviamo nelle nostre case, saranno molto brave a farlo perché sono nella vostra cucina perché sono bravissime a trovare cibo e acqua.
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.
La risorsa per le formiche che conosciamo meglio sono i pic-nic, e si tratta di una risorsa a grappolo. Quando c'è un pezzo di frutta, probabilmente ce ne sarà un altro lì vicino, e le formiche che si specializzano sulle risorse a grappolo usano le interazioni per il reclutamento. Quindi quando una formica ne incontra un'altra, o quando incontra una sostanza chimica lasciata per terra da un'altra, allora cambia la direzione da seguire nella direzione dell'interazione, ed è così che si formano le file di formiche che si spartiscono il vostro pic-nic.
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.
Ed è a questo proposito che, secondo me, potremmo imparare qualcosa sul cancro dalle formiche. Voglio dire, primo : è ovvio che possiamo fare molto per prevenire il cancro impedendo alle persone di diffondere o vendere le tossine che favoriscono lo sviluppo del cancro nel nostro organismo, ma non credo che le formiche possano aiutarci molto in questo perché le formiche non avvelenano mai le proprie colonie. Ma potremmo essere in grado di imparare qualcosa dalle formiche su come curare il cancro. Ci sono molti tipi di cancro diversi. Ognuno ha origine in una parte particolare dell'organismo, e alcuni tipi di cancro si diffondono o metastatizzano in tessuti particolari dove prendono le risorse di cui hanno bisogno. Se la vedete dal punto di vista delle cellule cancerose al primo stadio quando vanno a cercare le risorse di cui hanno bisogno, se quelle risorse sono a grappolo, probabilmente useranno le interazioni per il reclutamento, e se possiamo capire come reclutano le cellule cancerose, allora forse possiamo mettere delle trappole per catturarle prima che si radichino.
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.
Quindi le formiche usano le interazioni in modo diversi in una grande varietà di ambienti, e potremmo imparare tanto su altri sistemi che funzionano senza un controllo centrale. Usando solo semplici interazioni, le colonie di formiche imbandiscono ricchi banchetti da più di 130 milioni di anni Abbiamo molto da imparare da loro.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)