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.
Studiez furnici în deșert, în pădurile tropicale, și în propria bucătărie, și pe dealurile din Silicon Valley unde locuiesc. Recent mi-am dat seama că furnicile interacționează diferit în funcție de mediu, şi mi-am dat seama că de aici am putea învăța despre alte sisteme, cum ar fi creierul şi datele de reţea şi chiar despre cancer.
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.
Aceste sisteme au în comun faptul că nu au un control central. O colonie de furnici constă în femele sterile, lucrătoare -- pe ele le vedem mişunând -- şi una sau mai multe femele reproducătoare care doar depun ouă. Nu dau niciun ordin. Chiar dacă sunt numite regine, ele nu spun nimănui ce să facă. Într-o colonie de furnici nu e nimeni şef, şi sistemele fără control centralizat se reglează prin interacţiuni simple. Furnicile interacţionează prin intermediul mirosului. Miros cu antenele, interacţionează prin antene. Când o furnică atinge o alta cu antenele, ştie dacă cealaltă e o colocatară a cuibului ei şi ce sarcină îndeplineşte ea. Aici vedeţi multe furnici mișunând şi interacţionând într-o arenă de laborator conectată prin tuburi cu alte două arene. Când două furnici se întâlnesc, indiferent cu cine se întâlnesc, nu transmit semnale sau mesaje complicate. Tot ce contează e frecvenţa cu care întâlneşte alte furnici. Toate aceste interacţiuni însumate, crează o reţea. Această reţea de furnici pe care tocmai aţi văzut-o, care se modifică constant, generează comportamentul coloniei, fie că toate se ascund în cuib, sau câte pleacă după hrană. Un creier funcţionează la fel, dar la furnici e grozav că poţi observa reţeaua pe măsură ce se crează.
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.
Există peste 12.000 de specii de furnici, în orice mediu, şi ele interacţionează diferit ca să facă faţă schimbărilor de mediu. O problemă majoră de mediu, cu care orice sistem are de-a face, ţine de costurile de funcţionare, de ce e nevoie ca să funcţioneze. Un alt aspect ţine de resurse, de găsirea şi colectarea lor. În deşert, costurile de funcţionare sunt ridicate din cauza penuriei de apă, iar furnicile din deşert, consumatoare de seminţe, pe care le studiez, consumă apă ca să facă rost de apă. O furnică aflată la cules, căutând seminţe în soarele arzător, pierde apa în aer. Dar colonia îşi ia apa metabolizând grăsimile din seminţele pe care le consumă. În acest mediu, interacţiunile folosesc la intensificarea culesului. O culegătoare nu iese decât dacă se întâlneşte cu destule furnici care se reîntorc, iar aici vedeţi furnicile care se întorc, intră în tunel, în cuib, şi se întâlnesc cu cele care pleacă. E normal pentru colonie, pentru că, cu cât e mai multă mâncare afară, cu atât o găsesc mai repede, şi cu cât mai repede se întorc, cu atât mai multe ies afară. Sistemul stă oprit, până când se petrece ceva pozitiv.
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.
Interacţiunile au rolul de a activa furnicile. Am studiat evoluţia acestui sistem. În primul rând, există variaţii. Coloniile sunt diferite. În zile toride, unele colonii culeg mai puţin, aşadar ele diferă prin modul în care abordează echilibrul între consumul de apă pentru găsirea seminţelor şi aducerea apei sub formă de seminţe. Încercăm să înțelegem de ce unele colonii ies la cules mai puţin decât altele, le asemănăm cu reţele neuronale, folosind modele din neuroştiinţă. Aşa cum un neuron acumulează stimuli de la alţi neuroni şi decide dacă emite, o furnică însumează stimuli de la alte furnici să decidă dacă iese după hrană. Căutăm să înţelegem dacă există diferenţe minore între colonii referitoare la câte interacţiuni necesită o furnică înainte să vrea să iasă la cules, pentru că o astfel de colonie va culege mai puţin.
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.
Asta naşte întrebări similare despre creier. Vorbim despre creier, dar fiecare creier e uşor diferit, şi poate că există indivizi sau anumite condiţii când proprietăţile electrice ale neuronilor necesită mai mulţi stimuli pentru funcţionare, şi asta ar genera diferenţe în funcţionarea creierului.
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.
Pentru întrebări referitoare la evoluţie trebuie să cunoaştem succesul reproductiv. Asta e harta zonei de studiu unde am urmărit această colonie de furnici culegătoare, timp de 28 de ani, cam cât trăieşte o colonie. Fiecare simbol e o colonie, mărimea simbolului reprezintă numărul de urmaşi, pentru că am folosit variaţii genetice ca să determinăm coloniile descendenţilor, adică să ne dăm seama ce colonii provin de la o regină-fiică a unei colonii parentale. A fost uimitor să aflu după atâţia ani, că, de exemplu, colonia 154, pe care o ştiam de mulţi ani, e străbunică. Asta e colonia fiică, astea sunt coloniile nepoate, iar astea sunt coloniile stră-nepoate. Făcând asta am aflat că coloniile descendente seamănă cu cele parentale în deciziile asupra zilelor fierbinți ce nu permit colectarea. Descendentele coloniilor parentale trăiesc atăt de departe încât nu se întâlnesc niciodată, deci furnicile coloniilor descendente nu pot învăța asta de la colonia parentală. Următorul pas e să căutam variații genetice ce stau la baza acestei asemănări.
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.
Apoi m-am întrebat, cine e cel mai apt? Pe parcursul studiului, în special în ultimii 10 ani, a fost o secetă cruntă în sud-vestul Statelor Unite și coloniile care conservă apa, care stau înăuntru când e foarte cald, sacrificând colectarea proviziilor, sunt cele mai prolifice. Tot timpul am crezut despre colonia 154 că n-are șanse, pentru că în zilele secetoase colectarea era redusă în timp ce alte colonii erau afară culegând, strângând provizii, dar de fapt, colonia 154 era un mare succes. Era matriarha. E una din rarele stră-străbunici în studiul nostru. Din câte știu, e prima oara când am putut urmări evoluția continuă a comportamentului colectiv într-o populație naturală de animale și să descoperim care-i cel mai eficient.
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.
Internetul folosește un algoritm regulator de fluxul de date similar cu cel pe care furnicile culegatoare îl folosesc să controleze fluxul de provizii. Ghiciți cum numim această analogie? Anternet. (Aplauze) Datele părăsesc computerul doar dacă primesc un semnal că e destulă lățime de bandă pentru a se transfera. La începuturile internetului când costurile de operare erau foarte mari și era important să nu fie pierdute date sistemul era construit astfel încât interacțiunile activau fluxul de date. E interesant ca furnicile folosesc un algoritm atât de similar cu cel recent inventat de noi, însă acesta e doar unul din multe algoritme ale furnicilor despre care am aflat, furnicile au avut 130 de milioane de ani sa elaboreze o mulțime de algoritme bune. și cred că e foarte posibil ca unele din cele 12.000 de specii vor avea algoritme interesante pentru rețele de date la care nici nu ne-am gândit încă.
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.
Deci ce se întâmplă când costurile de oprare sunt mici? Costurile de operare sunt mici la tropice, deoarece umiditatea e mare și e ușor pentru furnici să stea afară cautând. Dar furnicile sunt atât de multe și diverse la tropice încât competiția e mare. Orice resursă folosită de o specie, e probabil cautată de o altă specie în același timp. Deci în acest mediu interacțiunile sunt folosite în sens contrar. Sistemul continuă să funcționeze cât timp nu se întâmplă ceva negativ. O specie pe care o studiez face un tur circular în copacii furnicilor culegatoare de la cuib la sursa de hrană și înapoi circulând continuu până când ceva negativ se întâmplă, ca o interacțiune cu furnici din altă specie. Iata un exemplu de securitate al furnicilor. În mijloc e o furnică astupând intrarea în cuib cu capul ca raspuns la interacțiunea cu altă specie. Sunt cele mici ce aleargă cu abdomenele sus în aer. Dar imediat ce amenințarea trece, intrarea este redeschisă, și poate sunt situații în informatica unde costurile de operare sunt destul de mici încât am putea bloca temporar accesul ca răspuns la o amenințare imediată, și dupa aceea să îl redeschidem, în loc sa construim un sistem de siguranță permanent sau o fortăreață.
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.
Înca o provocare a mediului la care toate sistemele trebuie să se adapteze sunt resursele, gasirea și colectarea lor. Pentru asta, furnicile rezolva problema căutării colective, asta fiind o problemă de mare interes chiar acum în robotică, deoarece am înțeles că, decât să trimitem în spațiu un singur robot sofisticat și scump să exploreze alta planetă sau să cerceteze o cladire în flâcâri, ar fi mai eficient să trimitem un grup de roboți mai ieftini schimbând informații minime. Așa procedeaza furnicile. Furnica invazivă argentiniană construiește rețele de căutare extensibile. Reușesc să rezolve problema principală a căutării extensive, creând un echilbru între o cautare amănunțită și mărimea ariei de căutare. Când sunt multe furnici într-un spațiu mic fiecare poate căuta foarte amanunțit pentru că este mereu o furnică alături căutând acolo, dar când sunt furnici puține într-un spațiu mare trebuie să se împrăștie ca să acopere o suprafață mai mare. Folosesc interacțiuni să aprecieze densitatea, când sunt foarte aglomerate se întâlnesc mai des, si caută mai amănunțit. Specii diferite trebuie să folosească algoritmi diferiți, deoarece au evoluat sa se adapteteze diferitelor resurse, și ar fi extrem de util să știm mai mult. De asta am cerut recent furnicilor să rezolve problema căutării colective în mediul ostil al microgravitații în Stația Spațială Internațională. Când am vazut poza prima oara mi-am zis: Oh nu, au montat habitatul vertical, apoi am realizat, evident, că nu contează. Ideea este că furnicile se străduiesc să nu cadă de pe perete sau podea sau cum vrei să-i spui încât interacționează mai puțin și astfel relația între cât de înghesuite sunt și cât de des se întâlnesc se dă peste cap. Încă analizam datele. Nu am rezultatele încă. Dar ar fi interesant să știm cum soluționează alte specii această problemă în diverse medii pe Pământ, de aceea organizăm un program pentru încurajarea copiilor din toata lumea să încerce acest experiment cu specii diferite. E foarte simplu. Poate fi facut cu materiale ieftine. Așa am putea crea o hartă globală a algoritmilor căutarii colective a furnicior E foarte probabil ca speciile invazive, cele care vin în casele noastre, vor fi destul de bune pentru ca sunt în bucatariile noastre și sunt foarte pricepute să găsească mâncare și apă. Cea mai familiară resursă pentru furnici
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.
este un picnic, o resursă îmbelșugată. Când există o bucată de fruct, e posibil să fie încă una langă, și furnicile specializate în resurse abundente folosesc interacțiuni pentru găsirea hranei. Când se întâlnesc, sau găsesc urma chimică lăsată pe jos de către alta, își schimbă traseul în direcța interacțiunii și astfel dai peste rândurile de furnici împărțind un picnic
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.
Acum e momentul să învățăm ceva de la furnici despre cancer. În primul rând, evident că am putea face multe să prevenim cancerul nepermițând oamenilor să împartă sau să văndă toxinele care promovează evoluția cancerului în corpurile noastre. dar furnicile nu ne pot ajuta prea mult aici deoarece furnicile nu-și otrăvesc niciodată coloniile. Dar am putea învăța ceva despre tratarea cancerului. Sunt multe feluri de cancer. Fiecare originează într-o anume parte a corpului, apoi anumite feluri de cancer se înmulțesc sau metastazează într-un alt țesut unde găsesc resursele de care au nevoie. Dacă gândești din perspeciva celulelor canceroase în stadiul timpuriu metastatic cum umblă in jur după resursele de care au nevoie, dacă resursele sunt abundente, vor folosi interacțiuni pentru recrutare, și dacă înțelegem cum recrutează celulele canceroase, poate am putea pune capcane să le prindem până se stabilesc.
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.
Furnicile folosesc interacțiunile diferit într-o largă varietate de medii, și putem învăța din asta despre alte sisteme care funcționează fară un control central. Folosind doar simple interacții, coloniile de furnici au realizat lucruri uimitoare de peste 130 de milioane de ani Avem de învățat mult de la ele.
Thank you.
Mulțumesc.
(Applause)