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.
Estudo as formigas no deserto, na floresta tropical e na minha cozinha; nas colinas em torno de Silicon Valley onde vivo. Há pouco tempo descobri que as formigas usam interações de modo diferente em diferentes ambientes. Isso fez-me pensar que, a partir disso, podíamos aprender sobre outros sistemas, como o cérebro e as redes de dados que concebemos e até mesmo o 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.
O que todos estes sistemas têm em comum é que não há um controlo central. Uma colónia de formigas é formada por obreiras estéreis — são as formigas que vemos a passear — e uma ou mais fêmeas reprodutoras que apenas põem os ovos. Não dão quaisquer instruções. Apesar de lhes chamarmos rainhas, não dizem a ninguém o que devem fazer. Assim, numa colónia de formigas, não há ninguém responsável. Todos os sistemas como este, sem um controlo central, são regulados através de interações muito simples. As formigas interagem usando o olfato. Cheiram com as antenas e interagem com as antenas. Quando uma formiga toca noutra com as antenas, pode dizer, por exemplo, se a outra formiga é uma companheira do formigueiro, e que tarefa está a fazer aquela outra formiga. Vemos aqui uma série de formigas a passear e a interagir na arena do laboratório que está ligada por tubos a duas outras arenas. Quando uma formiga encontra outra, não interessa qual seja a que encontra, não está a transmitir nenhum sinal ou mensagem complicada. À formiga só interessa o ritmo a que encontra outras formigas. Todas estas interações, em conjunto, formam uma rede. Esta é a rede das formigas que acabaram de ver a passear pela arena. É esta rede que está sempre a mudar que produz o comportamento da colónia. Por exemplo, se todas as formigas estão escondidas no formigueiro, ou quantas saíram para ir buscar comida. Um cérebro funciona da mesma maneira, mas o que é importante nas formigas é que podemos ver toda a rede à medida que ela acontece.
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.
Há mais de 12 000 espécies de formigas, em cada ambiente possível e imaginável. Usam interações diferentes para resolverem desafios ambientais de modo diferente. Um importante desafio ambiental com que todos os sistemas têm que lidar são os custos operacionais, o que é necessário para que o sistema funcione. E outro desafio ambiental são os recursos, encontrá-los e recolhê-los. No deserto, os custos operacionais são altos porque a água é escassa. As formigas que comem sementes, as que estudei no deserto, têm que gastar água para obter água. Assim, uma formiga, lá fora, à procura de sementes sob o sol escaldante, perde água no ar. Mas a colónia obtém água metabolizando as gorduras das sementes que comem. Portanto, neste ambiente, usam-se as interações para ativar a procura de alimentos. Uma formiga só sai à procura de comida depois de ter interações com as formigas que voltam. Vemos aqui as formigas que regressam, a ir para o túnel, para o formigueiro, e a encontrar as formigas que saem. Isto faz sentido na colónia de formigas porque, quanto mais alimento há lá fora e mais rapidamente as formigas o encontram, mais rapidamente elas voltam e maior número de formigas podem sair. O sistema funciona para estar parado, a não ser que aconteça alguma coisa positiva.
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.
As interações servem, pois, para ativar as formigas. Temos vindo a estudar a evolução deste sistema. Primeiro, há variações. Acontece que as colónias são diferentes. Nos dias secos, algumas colónias recolhem menos alimentos. As colónias são diferentes na forma como gerem o equilíbrio entre gastar água para procurar sementes e arranjar água sob a forma de sementes. Estamos a tentar perceber porque é que umas colónias recolhem mais do que outras, pensando nas formigas como neurónios, usando modelos da neurociência. Tal como um neurónio aumenta o seu estímulo de outros neurónios para decidir se fica excitado, uma formiga aumenta o seu estímulo de outras formigas para decidir se deve procurar comida. E do que andamos à procura é, se haverá pequenas diferenças entre colónias, quantas interações cada formiga precisa antes de se dispor a sair e a procurar comida, porque uma colónia dessas sairá menos para procurar 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.
E isso coloca uma questão análoga sobre o cérebro. Estamos a falar do cérebro, mas, claro, todos os cérebros são um pouco diferentes, e talvez haja alguns indivíduos ou certas condições em que as propriedades elétricas dos neurónios são tais que exigem mais estímulos para se excitarem. Isso levaria a diferenças na função 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 fazermos perguntas evolucionárias, precisamos de conhecer o êxito reprodutivo. Isto é um mapa do local do estudo onde eu estive a observar esta população de formigas e colónias durante 28 anos, que é o tempo máximo que uma colónia vive. Cada símbolo é uma colónia. O tamanho do símbolo significa a quantidade de descendência que teve, porque usámos a variação genética para comparar as colónias de mães e de filhas, ou seja, para perceber quais as colónias que foram fundadas por uma rainha filha e de que colónia provém essa rainha. Fiquei admirada, depois daqueles anos todos, ao descobrir, por exemplo, que a colónia 154, que eu conhecia bem há muitos anos, é uma bisavó. Esta é a colónia sua filha Esta é a colónia sua neta. Estas são as colónias suas bisnetas. Ao fazer isto, pude aprender que as colónias descendentes são parecidas com as das mães nas suas decisões sobre os dias tão quentes que não saem para apanhar comida. As descendentes das colónias maternas vivem tão separadas que as formigas nunca se encontram. Portanto, as formigas da colónia de descendentes não aprenderam com a colónia maternal. Assim, o nosso próximo passo é observar a variação genética subjacente a esta parecença.
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.
Assim, pude perguntar: "Quem está a fazer melhor?" Durante o tempo do estudo, especialmente nos últimos 10 anos, houve uma seca muito acentuada e profunda no sudoeste dos EUA. Acontece que as colónias que conservam água, que não saem quando está muito calor lá fora, e sacrificam arranjar tanta comida quanto possível, são as que têm mais colónias de descendentes. Portanto, pensei que a colónia 154 estava perdida porque, nos dias muito quentes, havia uma redução de atividade, enquanto as outras colónias saíam e apanhavam montes de comida. Mas a colónia 154 foi um êxito enorme. É uma matriarca. É uma das raras bisavós do local. Que eu saiba, foi a primeira vez que fomos capazes de detetar a evolução em curso do comportamento coletivo numa população natural de animais e de descobrir o que é que funciona melhor.
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.
A Internet usa um algoritmo para regular o fluxo de dados que é muito semelhante ao que as formigas usam para regular o fluxo das outras formigas. E adivinhem como chamamos a esta analogia? Está a chegar a Anternet. [Formiganet] (Aplausos) Os dados só saem do computador quando recebem um sinal de que há banda suficiente para poderem viajar. Nos primeiros dias da Internet, quando os custos operacionais eram muito altos e era muito importante não perder dados nenhuns, o sistema estava feito para interações para ativar o fluxo de dados. É interessante que as formigas usam um algoritmo muito semelhante ao que inventámos recentemente, mas é apenas um entre meia dúzia de algoritmos das formigas que conhecemos. E as formigas tiveram 130 milhões de anos para produzir alguns muito bons. Acho que é muito provável que algumas das outras 12 000 espécies possam vir a ter algoritmos interessantes para redes de dados em que nunca sequer pensámos.
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.
O que acontece quando os custos de operação são baixos? Nos trópicos, esses custos são baixos, porque há muita humidade e as formigas podem sair facilmente e passear. Mas as formigas são tão abundantes e diversificadas nos trópicos que há muita competição. Sejam quais forem os recursos que uma espécie esteja a usar, há outra espécie que também os usa simultaneamente. Por isso, neste ambiente, as interações são usadas de forma contrária. O sistema vai funcionando se não acontecer uma coisa negativa. Uma espécie que estudei faz circuitos nas árvores das formigas forrageiras entre o formigueiro e o local da comida, sempre à roda, até que aconteça algo negativo, como uma interação com formigas de outra espécie. Isto é um exemplo da segurança das formigas. No meio, está uma formiga a meter a cabeça na entrada do formigueiro, em reação às interações com outra espécie. Aquelas são as pequeninas a correr à volta com os abdómenes para o ar. Mas, logo que a ameaça passa, a entrada é aberta de novo. Talvez haja situações na segurança dos computadores em que os custos operacionais sejam tão baixos que possamos bloquear o acesso temporariamente em resposta a uma ameaça imediata e depois abri-lo de novo, em vez de tentar construir um "firewall" ou fortaleza 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.
Outro desafio ambiental com que todos os sistemas se confrontam são os recursos, procurá-los e colhê-los. As formigas resolvem o problema da procura coletiva. Isso é um problema de grande interesse na robótica, porque sabemos que, em vez de enviar um único robô, sofisticado e dispendioso para explorar outro planeta ou procurar um edifício a arder, talvez fosse mais eficaz arranjar um grupo de robôs mais baratos, trocando apenas informações mínimas, que é o que as formigas fazem. A formiga-argentina invasiva forma redes de pesquisa expansíveis. São boas a resolver o grande problema da procura coletiva, que é o equilíbrio entre uma procura muito cuidadosa e a cobertura duma grande área. E o que fazem é o seguinte, quando há muitas formigas num espaço pequeno, cada uma pode procurar exaustivamente porque há outra formiga ali ao pé, à procura noutro local. Mas, quando há poucas formigas num espaço amplo, precisam de alargar os seus caminhos para cobrir mais terreno. Penso que usam interações para avaliar a densidade. Quando há uma grande multidão encontram-se mais vezes e procuram mais cuidadosamente. Diferentes espécies de formigas têm que usar algoritmos diferentes, porque evoluíram a lidar com recursos diferentes. Seria muito útil conhecermos isso. Há pouco tempo pedimos às formigas para resolverem o problema da procura coletiva no ambiente extremo da microgravidade na Estação Espacial Internacional. Quando vi esta imagem a primeira vez, pensei: "Oh, montaram o "habitat" na vertical!" Mas depois percebi que era indiferente. A ideia é que as formigas esforçam-se tanto para se agarrar à parede ou ao chão ou ao que quer que lhe chamem, que têm menos hipóteses de interagir e, por isso, a relação entre o número que são e quantas vezes se encontram fica prejudicada. Estamos a analisar os dados. Ainda não tenho os resultados. Mas seria interessante saber como outras espécies resolvem este problema em diferentes ambientes na Terra. Estamos a organizar um programa para encorajar os miúdos do mundo inteiro a tentar esta experiência com espécies diferentes. É muito simples. Pode ser feito com materiais baratos. E dessa forma, podemos fazer um mapa global dos algoritmos da pesquisa coletiva das formigas. Penso que é provável que as espécies invasivas, as que entram nas nossas casas, serão muito boas nisso, porque elas vão para a cozinha porque são especialistas em encontrar comida e água.
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.
O recurso mais familiar para as formigas é um piquenique, que é um recurso concentrado. Quando há uma peça de fruta, é provável haver outra peça de fruta ao pé. As formigas especializadas em recursos concentrados usam interações para recrutar. Quando uma formiga encontra outra, ou encontra um químico que outra deposita no chão, muda de direção para seguir na direção da interação. É como se forma o carreiro de formigas que devora o nosso piquenique.
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.
Isto é um ponto em que penso que podemos aprender alguma coisa com as formigas, sobre o cancro. Primeiro, é óbvio que podemos fazer imenso para evitar o cancro não permitindo que as pessoas espalhem ou vendam as toxinas que favorecem a evolução do cancro no nosso corpo. Penso que as formigas não podem ajudar nisso porque as formigas nunca envenenam as suas colónias. Mas podemos aprender algo com as formigas quanto ao tratamento do cancro. Há muitos tipos de cancro. Cada um deles tem origem numa determinada parte do corpo e depois alguns tipos de cancro espalham-se ou criam metástases noutros tecidos particulares onde têm que ir buscar os recursos de que precisam. Se pensarmos segundo a perspetiva das células cancerígenas metastáticas quando elas andam à procura dos recursos de que precisam, se esses recursos estiverem concentrados, provavelmente usarão interações para recrutamento. Se conseguirmos saber como é que as células cancerígenas recrutam, talvez possamos montar armadilhas para as apanhar antes de elas se instalarem.
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.
As formigas usam interações de modos diferentes numa enorme variedade de ambientes. Podemos aprender com isso sobre outros sistemas que funcionam sem controlo central. Usando apenas simples interações, as colónias de formigas têm desempenhado feitos espantosos desde há mais de 130 milhões de anos. Temos muito a aprender com elas.
Thank you.
Obrigada.
(Applause)
(Aplausos)