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.
Eu estudo formigas no deserto, na floresta tropical, na minha cozinha e nas colinas ao redor do Vale do Silício, onde moro. Recentemente, descobri que as formigas usam as interações de forma diferente, em ambientes diferentes, o que me fez pensar isso poderia nos ensinar a respeito de outros sistemas, como sobre o cérebro, sobre redes de dados que criamos e até sobre o câncer.
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 esses sistemas têm em comum é que não existe qualquer controle central. Uma colônia de formigas consiste de fêmeas operárias estéreis, que são as formigas que vemos andando por aí, e também uma ou mais fêmeas reprodutoras, que apenas põem os ovos. Elas não dão qualquer instrução. Embora sejam chamadas de rainhas, elas não dizem às outras o que fazer. Então, em uma colônia de formigas, não há ninguém no comando, e todos os sistemas como esse, sem um controle central, são regulados através de interações muito simples. As formigas interagem usando o cheiro. Elas sentem o cheiro através de suas antenas, e interagem com suas antenas. Quando uma formiga toca outra com suas antenas, ela pode saber, por exemplo, se a outra formiga é uma colega de ninho e que tarefa essa outra formiga está realizando. Aqui, vemos um monte de formigas se movendo e interagindo na arena do laboratório, que é conectada por tubos a duas outras arenas. Quando uma formiga encontra outra, não importa que formiga ela encontra... e não estão transmitindo qualquer tipo de sinal ou mensagem complicada. O que importa para a formiga é a frequência com que ela encontra outras formigas. Todas essas interações, juntas, produzem uma rede. Esta é a rede de formigas que acabamos de ver se movendo na arena, e é esta rede em constante mudança que produz o comportamento da colônia, como, por exemplo, se todas as formigas vão se esconder dentro do ninho, ou quantas vão sair em busca de alimento. Na verdade, o cérebro funciona da mesma forma, mas o interessante nas formigas é que você pode toda a rede enquanto ela funciona.
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.
Existem mais de 12 mil espécies de formigas, em todos os ambiente que se possa imaginar, e elas usam interações de forma diferente para lidar com os desafios de cada ambiente. Um desafio ambiental importante com que qualquer sistema tem de lidar são os custos de operação, aquilo que é preciso para que o sistema funcione. Outro desafio ambiental são os recursos: encontrá-los e coletá-los. No deserto, os custos de operação são altos porque a água é escassa, e as formigas comedoras de sementes que estudo no deserto precisam gastar água para consegui-la. Então, uma formiga em busca de alimento, procurando sementes sob sol quente, simplesmente perde água no ar. Mas a colônia obtém água metabolizando as gorduras das sementes que suas formigas comem. Então, nesse ambiente, as interações servem para ativar a busca por alimento. Uma formiga catadora de alimento não sai, a não ser que interaja o suficiente com as outras que retornam, e o que você vê são as que estão retornando e entrando no túnel, indo para o ninho, encontrando formigas que saem em busca de alimento. Isso faz sentido na colônia de formigas, porque quanto mais alimento houver do lado de fora, mais rápido as formigas o encontrarão, mais rápido voltarão e mais catadoras são enviadas para fora. O sistema é programado para ficar inerte, a não ser que algo positivo aconteça.
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.
Então, as catadoras de alimento são ativadas pelas interações. Temos estudado a evolução desse sistema. Em primeiro lugar, há variação. As colônias são diferentes. Em dias secos, algumas colônias buscam menos alimento. As colônias são diferentes na forma como gerenciam esse equilíbrio entre gasto de água buscando por sementes e a reobtenção de água através das sementes. Estamos tentando entender por que algumas colônias buscam alimento menos que outras, pensando nas formigas como neurônios, utilizando modelos da neurociência. Assim como um neurônio recebe estímulo de outros neurônios para decidir se vai disparar, uma formiga recebe estímulo de outras formigas para decidir se vai sair em busca de alimento. Estamos tentando descobrir se pode haver pequenas diferenças entre colônias sobre quantas interações cada formiga precisa para que se disponham a sair em busca de alimento, porque uma colônia assim cataria menos.
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 levanta uma questão análoga sobre o cérebro. Nós falamos sobre o cérebro, mas é claro que cada cérebro é ligeiramente diferente dos outros, e talvez existam alguns indivíduos ou algumas condições em que as propriedades elétricas dos neurônios sejam tais que necessitem de mais estímulo para disparar, e isso resultaria em diferenças no funcionamento do cérebro.
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 saber sobre sucesso reprodutivo. Este é um mapa do local de estudo em que tenho rastreado uma população de uma colônia de formigas colhedoras por 28 anos, que é mais ou menos o tempo de vida de uma colônia. Cada ponto é uma colônia, e o tamanho do ponto indica quantas crias ela teve, porque conseguimos usar variação genética para detectar as colônias dos pais e as colônias das crias, ou seja, descobrir quais colônias foram estabelecidas por uma rainha filha produzida por determinada colônia de pais. Foi incrível para mim, depois de todos esses anos, descobrir, por exemplo, que a colônia 154, que conheço bem há muitos anos, é bisavó. Esta é sua colônia filha, esta é sua colônia neta, e estas são suas colônias bisnetas. Fazendo isso, pude aprender que as colônias das crias se parecem com as colônias dos pais em suas decisões quanto a que dias são quentes demais para saírem em busca de alimento, e as colônias de crias e de pais vivem tão longe uma da outra que as formigas nunca se encontram. Então, as formigas da colônia das crias não puderam aprender isso da colônia dos pais. Nosso próximo passo é procurar a variação genética por trás dessa semelhança.
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.
Então, pude perguntar: "Certo, quem se sai melhor?" Durante o tempo do estudo, especialmente nos últimos dez anos, houve uma seca muito severa e profunda no sudoeste dos Estados Unidos, e as colônias que conservam água, que não saem quando está muito quente do lado de fora, e, assim, acabam não pegando tanto alimento, são as mais propensas a gerar colônias de crias. Durante todo esse tempo, pensei que a colônia 154 fosse uma perdedora, porque, em dias realmente secos, apresentava pouquíssima busca por alimento, enquanto as outras colônias saíam, conseguindo muito alimento. Na verdade, a colônia 154 é um grande sucesso. Ela é uma matriarca. É uma das raras bisavós no local. Até onde sei, é a primeira vez que fomos capazes de rastrear a evolução de comportamento coletivo em curso em uma população natural de animais e descobrir o que, de fato, 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.
Bem, a internet utiliza um algoritmo para regular o fluxo de dados que é muito similar ao que as formigas segadoras utilizam para regular o fluxo de formigas catadoras. Advinha como chamamos essa analogia? A "formiganet" vem por aí. (Aplausos) Então, os dados não deixam o computador fonte, a não ser que receba um sinal de que há banda larga suficiente para que eles possam transitar. No início da internet, quando os custos de operação eram muito altos e era realmente importante que dado algum se perdesse, o sistema foi configurado para que interações ativassem o fluxo de dados. É interessante que as formigas estejam usando um algoritmo que seja tão parecido com o que inventamos recentemente, mas esse é apenas um de vários algoritmos de formigas que conhecemos, e as formigas tiveram 130 milhões de anos para desenvolver vários bons algoritmos, e acho muito provável que algumas das outras 12 mil espécies tenham algoritmos interessantes para redes de dados, os quais ainda nem imaginamos.
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? O custos de operação são baixos nos trópicos, por estes serem muito úmidos, sendo fácil para as formigas saírem e andarem do lado de fora. Mas as formigas são tão abudantes e diversas nos trópicos que há muita competição. Seja qual for o recurso que uma espécie use, é provável que outra espécie o use ao mesmo tempo. Então, nesse ambiente, as interações são usadas da forma oposta. O sistema prossegue, a não ser que algo negativo aconteça, e uma espécie que estudo cria circuitos nas árvores, de formigas catadoras de alimento, que vão do ninho à fonte de alimento, e de volta, indo e voltando, a não ser que algo negativo aconteça, como uma interação com formigas de outra espécie. Então, eis um exemplo de segurança de formiga. No meio, há uma formiga bloqueando a entrada do ninho com a cabeça, devido a interações com outra espécie. São as pequenas correndo com o abdômen suspenso. Mas, logo que ameaça passa, a entrada é aberta novamente. Talvez haja situações em segurança de computadores em que os custos de operações sejam baixos o suficiente para que pudéssemos simplesmente bloquear temporariamente o acesso, devido a uma ameaça imediata, e depois abri-lo novamente, em vez de tentar incluir um <i>firewall</i> ou uma 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 têm de lidar são os recursos: encontrá-los e coletá-los. Para fazer isso, as formigas resolvem a questão da busca coletiva, e essa é uma questão de grande interesse neste momento, na robótica, porque entendemos que, em vez de enviar um único, caro e sofisticado robô para explorar outro planeta ou fazer uma busca em um prédio em chamas, pode ser mais eficaz termos um grupo de robôs mais baratos trocando apenas o mínimo de informações, como as formigas fazem. A formiga-argentina invasora cria redes de busca expansíveis. Elas são boas em lidar com o problema principal da busca coletiva, que é o equilíbro entre buscar minuciosamente e cobrir grandes espaços. Quando há muitas formigas num espaço pequeno, cada uma delas pode buscar minuciosamente porque haverá outra formiga por perto, procurando por ali. Mas quando há poucas formigas em uma grande espaço, elas precisam ampliar seu campo de busca para cobrir um espaço maior. Acho que elas usam as interações para avaliar a densidade. Quando estão muito aglomeradas, encontram-se com mais frequência e buscam mais minuciosamente. Diferentes espécies de formigas devem usar diferentes algoritmos, porque elas evoluíram para lidar com recursos diferentes, e poderia ser muito útil sabermos isso. Por isso, recentemente, pusemos as formigas para resolverem o problema da busca coletiva no ambiente extremo da microgravidade, na Estação Espacial Internacional. Quando vi essa imagem, pensei: "Ah, não! Construíram o habitat verticalmente!, mas me dei conta de que, claro, não faz diferença. A ideia aqui é de que as formigas estão se esforçando tanto para se segurar à parede ou ao chão, ou seja lá o quê, que ficam menos propensas a interagir. Então, a relação entre o nível de aglomeração delas e a frequência com que se encontram ficaria desregulada. Ainda estamos analisando os dados. Ainda não tenho os resultados. Mas seria interessante saber como outras espécies resolvem esse problema nos diferentes ambientes da Terra. Estamos desenvolvendo um programa para estimular crianças em todo o mundo a fazer esta experiência com diferentes espécies. É muito simples. Pode ser feita com materiais baratos. E assim, poderíamos criar um mapa global de algoritmos da busca coletiva das formigas. E acho bem provável que as espécies invasoras, aquelas que entram em nossas casas, mostrarão um ótimo desempenho, porque estão em sua cozinha por serem muito boas 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 o piquenique, e é um recurso aglomerado. Quando um pedaço de fruta, é provável que haja outro pedaço por perto, e as formigas que se especializaram em recursos aglomerados usam interações para recrutamento. Quando uma formiga encontra outra, ou encontra uma substância química depositada no chão por outra formiga, ela muda sua direção para seguir na direção da interação, e é por isso que vemos uma trilha de formigas invadindo 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.
É aí que acredito que possamos conseguir aprender algo com as formigas a respeito do câncer. Quero dizer, primeiro, é óbvio que poderíamos fazer muito para prevenir o câncer não permitindo que as pessoas se espalhem por aí ou vendam as toxinas que promovem a evolução do câncer em nosso corpo, mas não acho que as formigas possam nos ajudar muito nisso, porque elas nunca envenenam suas próprias colônias. Mas talvez consigamos aprender algo com elas sobre como tratar o câncer. Existem muitos tipos diferentes de câncer. Cada um deles surge em uma parte específica do corpo. Alguns tipos de câncer se espalham ou entram em metástase em outros tecidos específicos, onde vão obter os recursos de que precisam. Se pensarmos da perspectiva de novas células metastáticas de câncer enquanto estão à procura dos recursos de que precisam, se esses recursos estiverem aglomerados, é provável que elas usem interações de recrutamento. Se pudermos entender como as células de câncer recrutam, talvez possamos criar armadilhas para pegá-las antes que se estabeleçam.
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 estão usando as interações de diferentes maneiras, numa enorme variedade de locais, e poderíamos aprender com isso sobre outros sistemas que operam sem um controle central. Usando apenas interações simples, as colônias de formigas têm realizado feitos incríveis por mais de 130 milhões de anos. Temos muito a apender com elas.
Thank you.
Obrigada.
(Applause)
(Aplausos)