Deborah Gordon: What ants teach us about the brain, cancer and the Internet

Дебора Гордон: Что мы можем узнать у муравьёв о мозге, раке и Интернете

Переводчик: Nataliya Dmitrieva Редактор: Olga Dmitrochenkova

I study ants

Я изучаю муравьёв

in the desert, in the tropical forest

в пустыне, в тропическом лесу,

and in my kitchen,

в моей кухне

and in the hills around Silicon Valley where I live.

и на холмах вокруг Силиконовой долины, где я живу.

I've recently realized that ants

Недавно я поняла, что муравьи

are using interactions differently

взаимодействуют по-разному

in different environments,

в разных условиях,

and that got me thinking that we could learn from this

и это натолкнуло меня на мысль, что с их помощью мы можем изучать

about other systems,

другие системы,

like brains and data networks that we engineer,

такие как мозг и сети передачи данных, которые мы создаём,

and even cancer.

и даже рак.

So what all these systems have in common

Все эти системы объединяет

is that there's no central control.

отсутствие центра управления.

An ant colony consists of sterile female workers --

Колония муравьёв состоит из стерильных самок-рабочих,

those are the ants you see walking around —

муравьёв, которых мы видим вокруг,

and then one or more reproductive females

и одной или более способной к размножению матки,

who just lay the eggs.

которая только откладывает яйца.

They don't give any instructions.

Они не дают никаких распоряжений.

Even though they're called queens,

Несмотря на то, что их называют королевами,

they don't tell anybody what to do.

они не сообщают никому, что делать.

So in an ant colony, there's no one in charge,

Муравьиная колония, где нет управляющих,

and all systems like this without central control

и подобные ей системы без центра управления

are regulated using very simple interactions.

регулируются простейшими взаимодействиями.

Ants interact using smell.

Муравьи взаимодействуют через запахи.

They smell with their antennae,

Они чувствуют запах антеннами,

and they interact with their antennae,

и они взаимодействуют при помощи антенн.

so when one ant touches another with its antennae,

Когда один муравей соприкасается с антеннами другого,

it can tell, for example, if the other ant

он может узнать, например, принадлежит ли другой муравей

is a nestmate

к тому же муравейнику,

and what task that other ant has been doing.

и какие работы другой муравей выполняет.

So here you see a lot of ants moving around

Тут вы видите множество муравьёв, перемещающихся

and interacting in a lab arena

и взаимодействующих на лабораторной площадке,

that's connected by tubes to two other arenas.

которая соединена трубками с двумя другими площадками.

So when one ant meets another,

Когда один муравей встречает другого, —

it doesn't matter which ant it meets,

неважно, какого муравья он встречает, —

and they're actually not transmitting

в действительности они не передают

any kind of complicated signal or message.

каких-то сложных сигналов или сообщений.

All that matters to the ant is the rate

Важно для муравья только место,

at which it meets other ants.

в котором он встречает других муравьёв.

And all of these interactions, taken together,

И все эти взаимодействия, вместе взятые,

produce a network.

образуют сеть.

So this is the network of the ants

Это и есть муравьиная сеть,

that you just saw moving around in the arena,

которую вы только что видели перемещающейся по площадке,

and it's this constantly shifting network

и это постоянно перемещающаяся сеть

that produces the behavior of the colony,

определяет поведение колонии,

like whether all the ants are hiding inside the nest,

как то, прячутся ли все муравьи внутри муравейника,

or how many are going out to forage.

и сколько из них собирается на поиски пропитания.

A brain actually works in the same way,

На самом деле, так же работает и наш мозг,

but what's great about ants is

но в муравьях прекрасно то,

that you can see the whole network as it happens.

что вы можете наблюдать всю сеть целиком.

There are more than 12,000 species of ants,

Существует более 12 000 видов муравьёв

in every conceivable environment,

в любой возможной среде,

and they're using interactions differently

и они используют взаимодействие по-разному,

to meet different environmental challenges.

чтобы успешно противостоять условиям среды.

So one important environmental challenge

Одна из сложных задач окружающей среды,

that every system has to deal with

с которой сталкивается каждая система, —

is operating costs, just what it takes

это затраты на поддержание жизнедеятельности, те, что нужны

to run the system.

для поддержания работы системы.

And another environmental challenge is resources,

И другая проблема, которую ставит окружающая среда, — это ресурсы,

finding them and collecting them.

их поиск и сбор.

In the desert, operating costs are high

В пустыне затраты на поддержание жизнедеятельности высоки,

because water is scarce,

потому что вода в дефиците,

and the seed-eating ants that I study in the desert

и муравьи-семяеды, которых я изучала в пустыне,

have to spend water to get water.

должны потратить воду, чтобы добыть её.

So an ant outside foraging,

Муравей, находясь снаружи в поисках пищи,

searching for seeds in the hot sun,

ищет семена под палящим солнцем,

just loses water into the air.

тем самым теряя воду, испаряющуюся в воздух.

But the colony gets its water

Но колония получает воду

by metabolizing the fats out of the seeds

в процессе преобразования жиров из семян,

that they eat.

которые они едят.

So in this environment, interactions are used

В данных условиях среды взаимодействие нужно

to activate foraging.

для сбора пищи.

An outgoing forager doesn't go out unless

Собирающийся на поиски муравей-сборщик не выйдет до тех пор,

it gets enough interactions with returning foragers,

пока не получит достаточно информации от вернувшихся сборщиков.

and what you see are the returning foragers

Тут вы видите возвращающихся сборщиков,

going into the tunnel, into the nest,

проходящих по туннелю в муравейник,

and meeting outgoing foragers on their way out.

которые встречают выходящих сборщиков на своём пути.

This makes sense for the ant colony,

Это очень важно для колонии,

because the more food there is out there,

потому что чем больше пищи снаружи,

the more quickly the foragers find it,

тем быстрее сборщики найдут её,

the faster they come back,

и тем быстрее они вернутся,

and the more foragers they send out.

и тем больше сборщиков они смогут послать.

The system works to stay stopped,

Работа системы неумолимо продолжается

unless something positive happens.

до тех пор, пока не произойдут улучшения.

So interactions function to activate foragers.

Таким образом, взаимодействия запускают процесс поиска пищи.

And we've been studying the evolution of this system.

Мы изучали развитие этой системы.

First of all, there's variation.

Во-первых, есть различия.

It turns out that colonies are different.

Оказывается, колонии бывают разными.

On dry days, some colonies forage less,

В засушливые дни некоторые колонии ищут пищу менее активно,

so colonies are different in how

поэтому колонии различны в том,

they manage this trade-off

как они выбирают оптимальное соотношение

between spending water to search for seeds

между тратой воды на поиск семян

and getting water back in the form of seeds.

и получением воды в виде семян.

And we're trying to understand why

И мы пытаемся понять, почему

some colonies forage less than others

некоторые колонии ищут пищу меньше, чем другие,

by thinking about ants as neurons,

рассматривая муравьёв как нейроны,

using models from neuroscience.

используя модели нейробиологии.

So just as a neuron adds up its stimulation

Как только нейрон получает сигналы

from other neurons to decide whether to fire,

от других нейронов, он решает, передавать ли возбуждение;

an ant adds up its stimulation from other ants

муравей получает сигналы от других муравьёв

to decide whether to forage.

и решает, отправляться ли на поиски пищи.

And what we're looking for is whether there might be

Мы ищем наличие возможности

small differences among colonies

небольших отличий среди колоний

in how many interactions each ant needs

в том, сколько взаимодействий нужно каждому муравью

before it's willing to go out and forage,

для того, чтобы он отправился на поиски пропитания,

because a colony like that would forage less.

так как подобная колония получит меньше пищи.

And this raises an analogous question about brains.

И тут появляется аналогичный вопрос о мозге.

We talk about the brain,

Мы говорим о мозге,

but of course every brain is slightly different,

но, конечно, каждый мозг немного отличается,

and maybe there are some individuals

и, возможно, есть такие люди

or some conditions

и такие условия,

in which the electrical properties of neurons are such

в которых электрические свойства нейронов таковы,

that they require more stimulus to fire,

что им требуется больше сигналов для возбуждения,

and that would lead to differences in brain function.

и это может привести к различиям в работе мозга.

So in order to ask evolutionary questions,

Чтобы задавать вопросы о развитии,

we need to know about reproductive success.

нам сначала нужно знать об успехах в размножении.

This is a map of the study site

Это карта исследуемого региона,

where I have been tracking this population

на которой я прослеживала популяцию

of harvester ant colonies for 28 years,

муравьёв-жнецов в течение 28 лет,

which is about as long as a colony lives.

это примерно столько, сколько живёт колония.

Each symbol is a colony,

Каждый круг — это колония.

and the size of the symbol is how many offspring it had,

Размер круга показывает размер потомства.

because we were able to use genetic variation

Мы смогли проследить генетические изменения

to match up parent and offspring colonies,

для сравнения родительских и дочерних колоний,

that is, to figure out which colonies

и мы выяснили, какие колонии

were founded by a daughter queen

были созданы дочерьми королев

produced by which parent colony.

и от каких родительских колоний.

And this was amazing for me, after all these years,

И каково было моё изумление после всех этих лет

to find out, for example, that colony 154,

выяснить, например, что колония 154,

whom I've known well for many years,

которую я хорошо знала многие годы,

is a great-grandmother.

является прабабушкой.

Here's her daughter colony,

Вот её дочерняя колония,

here's her granddaughter colony,

а вот её колония-внучка,

and these are her great-granddaughter colonies.

а вот её колонии-правнучки.

And by doing this, I was able to learn

В результате я смогла установить,

that offspring colonies resemble parent colonies

что колонии-потомки похожи на свои родительские колонии

in their decisions about which days are so hot

в своём решении, какой день считать засушливым

that they don't forage,

и не идти на поиски пищи;

and the offspring of parent colonies

потомки родительских колоний

live so far from each other that the ants never meet,

живут настолько далеко друг от друга, что муравьи никогда не встречаются,

so the ants of the offspring colony

поэтому муравьи колоний-потомков

can't be learning this from the parent colony.

не могут научиться этому у родительских колоний.

And so our next step is to look

И наш следующий шаг — это поиск

for the genetic variation underlying this resemblance.

генетических изменений, отвечающих за это сходство.

So then I was able to ask, okay, who's doing better?

Тогда я могла бы спросить: кому же лучше?

Over the time of the study,

Во время моего изучения,

and especially in the past 10 years,

особенно последние 10 лет,

there's been a very severe and deepening drought

была жесточайшая и затяжная засуха

in the Southwestern U.S.,

на юго-западе США,

and it turns out that the colonies that conserve water,

и оказалось, что колонии, сохранившие воду,

that stay in when it's really hot outside,

остававшиеся внутри в очень жаркие дни

and thus sacrifice getting as much food as possible,

и, таким образом, жертвовавшие потенциально добытой пищей,

are the ones more likely to have offspring colonies.

вероятней всего, имели колонии-потомки.

So all this time, I thought that colony 154

Всё это время я думала, что колония 154

was a loser, because on really dry days,

является неудачником, потому что в очень засушливые дни

there'd be just this trickle of foraging,

у неё было лишь небольшое количество еды,

while the other colonies were out

в то время как другие колонии были снаружи,

foraging, getting lots of food,

собирая много пищи.

but in fact, colony 154 is a huge success.

Но в действительности колония 154 имела огромный успех.

She's a matriarch.

Она матриарх.

She's one of the rare great-grandmothers on the site.

Она одна из немногих прабабушек в этом регионе.

To my knowledge, this is the first time

По моим сведениям, впервые

that we've been able to track

нам удалось отследить

the ongoing evolution of collective behavior

происходящее развитие коллективного поведения

in a natural population of animals

в естественной популяции животных

and find out what's actually working best.

и узнать, что работает лучше.

Now, the Internet uses an algorithm

Сейчас Интернет использует алгоритм

to regulate the flow of data

для управления потоками данных

that's very similar to the one

очень похожий на тот,

that the harvester ants are using to regulate

что муравьи-жнецы используют для управления

the flow of foragers.

потоками сборщиков.

And guess what we call this analogy?

Догадайтесь, как мы зовём данную аналогию?

The anternet is coming.

Антернет наступает. [от англ. ant — муравей]

(Applause)

(Аплодисменты)

So data doesn't leave the source computer

Данные не покидают компьютер-источник,

unless it gets a signal that there's enough bandwidth

пока он не получит сигнал, что достаточно пропускной способности

for it to travel on.

для перемещения данных.

In the early days of the Internet,

На заре Интернета,

when operating costs were really high

когда эксплуатационные расходы были высоки,

and it was really important not to lose any data,

было очень важно не потерять данные,

then the system was set up for interactions

поэтому система была настроена на взаимодействия

to activate the flow of data.

для активации передачи данных.

It's interesting that the ants are using an algorithm

Примечательно то, что муравьи используют алгоритм,

that's so similar to the one that we recently invented,

очень похожий на тот, что мы недавно создали,

but this is only one of a handful of ant algorithms

но это лишь один из многих алгоритмов муравьёв,

that we know about,

о котором нам известно.

and ants have had 130 million years

У муравьёв было 130 миллионов лет

to evolve a lot of good ones,

для создания множества хороших алгоритмов,

and I think it's very likely

и я считаю очевидным,

that some of the other 12,000 species

что некоторые из остальных 12 000 видов

are going to have interesting algorithms

имеют интересные алгоритмы

for data networks

для сетей передачи данных,

that we haven't even thought of yet.

о которых мы даже и не думали.

So what happens when operating costs are low?

Что происходит когда затраты на поддержание жизнедеятельности низки?

Operating costs are low in the tropics,

Затраты на поддержание жизнедеятельности низки в тропиках,

because it's very humid, and it's easy for the ants

так как там очень влажно и муравьи легко

to be outside walking around.

могут находиться снаружи для поисков.

But the ants are so abundant

Но муравьи настолько распространены

and diverse in the tropics

и разнообразны в тропиках,

that there's a lot of competition.

что появляется большая конкуренция.

Whatever resource one species is using,

Какой бы ресурс ни использовал один вид,

another species is likely to be using that

другой вид, вероятно, так же использует его

at the same time.

в то же время.

So in this environment, interactions are used

В этих условиях взаимодействие применяется

in the opposite way.

наоборот.

The system keeps going

Система работает,

unless something negative happens,

пока не случится что-то негативное.

and one species that I study makes circuits

Один вид, который я изучаю, двигается по контурам

in the trees of foraging ants

на деревьях, на которых кормятся муравьи,

going from the nest to a food source and back,

двигаясь от муравейника к источнику пищи и обратно,

just round and round,

круг за кругом,

unless something negative happens,

пока не случится что-то негативное,

like an interaction

как взаимодействие

with ants of another species.

с муравьями другого вида.

So here's an example of ant security.

Вот пример муравьиной системы безопасности.

In the middle, there's an ant

В центре находится муравей,

plugging the nest entrance with its head

преграждая вход в гнездо своей головой

in response to interactions with another species.

в результате взаимодействий с другими видами.

Those are the little ones running around

Те маленькие муравьи ползают вокруг

with their abdomens up in the air.

с поднятыми вверх брюшками.

But as soon as the threat is passed,

Но как только угроза исчезает,

the entrance is open again,

вход снова открывается.

and maybe there are situations

В компьютерной безопасности

in computer security

возможны ситуации,

where operating costs are low enough

когда эксплуатационные расходы достаточно низки,

that we could just block access temporarily

чтобы мы просто могли временно заблокировать доступ

in response to an immediate threat,

в ответ на внезапную угрозу

and then open it again,

и затем вновь открыть его

instead of trying to build

вместо того, чтобы пытаться установить

a permanent firewall or fortress.

постоянно активный брандмауэр или иную защиту.

So another environmental challenge

Другой вызов окружающей среды,

that all systems have to deal with

с которым сталкивается каждая система, —

is resources, finding and collecting them.

это ресурсы, их поиск и сбор.

And to do this, ants solve the problem

Чтобы выполнить это, муравьи решают проблему

of collective search,

коллективного поиска,

and this is a problem that's of great interest

и этой проблемой сейчас активно интересуется

right now in robotics,

робототехника,

because we've understood that,

так как мы поняли, что вместо того,

rather than sending a single,

чтобы посылать одного

sophisticated, expensive robot out

сложного, дорогого робота

to explore another planet

для изучения другой планеты

or to search a burning building,

или поиска в горящем здании,

that instead, it may be more effective

намного эффективней

to get a group of cheaper robots

использовать группу более дешёвых роботов,

exchanging only minimal information,

передающих только минимально необходимую информацию.

and that's the way that ants do it.

Именно так это делают муравьи.

So the invasive Argentine ant

Агрессивный аргентинский муравей

makes expandable search networks.

создаёт обширную поисковую сеть.

They're good at dealing with the main problem

Они хорошо справляются с основной проблемой

of collective search,

коллективного поиска,

which is the trade-off between

которая состоит в компромиссе между

searching very thoroughly

тщательным поиском

and covering a lot of ground.

и покрытием большой территории.

And what they do is,

when there are many ants in a small space,

И вот что они делают:

когда муравьёв много на маленьком пространстве,

then each one can search very thoroughly

каждый ищет очень тщательно,

because there will be another ant nearby

так как рядом находится другой муравей,

searching over there,

ищущий там же;

but when there are a few ants

но когда муравьёв немного

in a large space,

на большом пространстве,

then they need to stretch out their paths

им нужно вытянуть их маршруты,

to cover more ground.

чтобы покрыть большую территорию.

I think they use interactions to assess density,

Думаю, они используют взаимодействия, чтобы оценить расстояние,

so when they're really crowded,

поэтому, когда они действительно скучены,

they meet more often,

они чаще встречаются,

and they search more thoroughly.

и они ищут тщательней.

Different ant species must use different algorithms,

Разные виды муравьёв должны использовать разные алгоритмы,

because they've evolved to deal with

так как они развивались, имея

different resources,

разные ресурсы.

and it could be really useful to know about this,

Узнать об этом было бы действительно полезно,

and so we recently asked ants

и недавно мы предложили муравьям

to solve the collective search problem

решить проблему коллективного поиска

in the extreme environment

в экстремальных условиях

of microgravity

невесомости

in the International Space Station.

на Международной космической станции.

When I first saw this picture, I thought,

Когда я впервые увидела эту картину, я подумала:

Oh no, they've mounted the habitat vertically,

«О нет, они установили их жилище вертикально», —

but then I realized that, of course, it doesn't matter.

но потом я поняла, что, конечно, это неважно.

So the idea here is that the ants

Смысл тут в том, что муравьям

are working so hard to hang on

трудней зацепиться

to the wall or the floor or whatever you call it

за стену, или пол, или называйте, как вам угодно,

that they're less likely to interact,

поэтому они взаимодействуют меньше,

and so the relationship between

и отношение между тем,

how crowded they are and how often they meet

насколько они скучены и как часто они сталкиваются,

would be messed up.

не прослеживалось бы.

We're still analyzing the data.

Мы пока анализируем данные.

I don't have the results yet.

У меня пока нет результатов.

But it would be interesting to know

Но было бы интересно узнать,

how other species solve this problem

как другие виды справляются с этой проблемой

in different environments on Earth,

в различных условиях на Земле.

and so we're setting up a program

Для этого мы установили программу,

to encourage kids around the world

позволяющую детям по всему миру,

to try this experiment with different species.

попытаться поставить опыт с другими видами.

It's very simple.

Это очень просто.

It can be done with cheap materials.

Для этого могут использоваться дешёвые материалы.

And that way, we could make a global map

Таким образом мы могли бы создать глобальную карту

of ant collective search algorithms.

алгоритмов коллективного поиска муравьёв.

And I think it's pretty likely that the invasive species,

Думаю, что, скорей всего, агрессивные виды,

the ones that come into our buildings,

те, что пришли в ваши дома,

are going to be really good at this,

по-настоящему хороши в этом,

because they're in your kitchen

так как они на вашей кухне

because they're really good at finding food and water.

и они очень хорошо находят пищу и воду.

So the most familiar resource for ants

Самый знакомый ресурс для муравьёв —

is a picnic,

это пикник,

and this is a clustered resource.

и это сгруппированный ресурс.

When there's one piece of fruit,

Рядом с одним фруктом,

there's likely to be another piece of fruit nearby,

скорей всего, будет другой фрукт,

and the ants that specialize on clustered resources

и муравьи, специализирующиеся на сгруппированных ресурсах,

use interactions for recruitment.

используют взаимодействия для найма новобранцев.

So when one ant meets another,

Когда один муравей сталкивается с другим

or when it meets a chemical deposited

или находит химические вещества, оставленные

on the ground by another,

на земле другим муравьём,

then it changes direction to follow

он меняет движение в направлении

in the direction of the interaction,

взаимодействия —

and that's how you get the trail of ants

так вы можете получить колонну муравьёв,

sharing your picnic.

делящих с вами пикник.

Now this is a place where I think we might be able

В подобном месте, думаю, мы могли бы

to learn something from ants about cancer.

узнать что-то от муравьёв о раке.

I mean, first, it's obvious that we could do a lot

Во-первых, очевидно, мы можем сделать многое

to prevent cancer

для предотвращения рака

by not allowing people to spread around

за счёт запрета распространения

or sell the toxins that promote

или продажи токсинов, приводящих

the evolution of cancer in our bodies,

к развитию рака в наших телах.

but I don't think the ants can help us much with this

Но я не думаю, что муравьи могут нам здесь сильно помочь,

because ants never poison their own colonies.

так как муравьи никогда не отравляют свою колонию.

But we might be able to learn something from ants

Но мы можем узнать от них нечто,

about treating cancer.

помогающее лечению рака.

There are many different kinds of cancer.

Существует много разновидностей рака.

Each one originates in a particular part of the body,

Каждый возникает в определённой части тела,

and then some kinds of cancer will spread

и затем некоторые виды рака распространятся

or metastasize to particular other tissues

или распространят метастазы в другие ткани,

where they must be getting resources that they need.

где могут получить необходимые ресурсы.

So if you think from the perspective

Если рассматривать ситуацию со стороны

of early metastatic cancer cells

метастатических раковых клеток,

as they're out searching around

когда они находятся в поиске

for the resources that they need,

необходимых ресурсов,

if those resources are clustered,

если эти ресурсы сгруппированы,

they're likely to use interactions for recruitment,

то, вероятно, они будут использовать взаимодействие для привлечения других клеток,

and if we can figure out how cancer cells are recruiting,

и если мы сможем определить, как раковые клетки привлекают другие клетки,

then maybe we could set traps

то мы сможем расставить ловушки,

to catch them before they become established.

чтобы поймать их до того, как они будут вовлечены.

So ants are using interactions in different ways

Муравьи используют взаимодействия по-разному

in a huge variety of environments,

в огромном разнообразии сред,

and we could learn from this

и мы можем узнать у них

about other systems that operate

о других системах, работающих

without central control.

без центра управления.

Using only simple interactions,

Используя только простые взаимодействия,

ant colonies have been performing

муравьиная колония демонстрирует

amazing feats for more than 130 million years.

потрясающие успехи уже более 130 миллионов лет.

We have a lot to learn from them.

Есть многое, чему мы можем научиться у них.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)