Дебора Гордон: Что мы можем узнать у муравьев о мозге, раке и интернете

Я изучаю муравьев в пустыне, в тропическом лесу, в моей кухне и на холмах вокруг Кремниевой долины, где я живу. Недавно я поняла, что муравьи взаимодействуют по-разному в разных условиях, и это натолкнуло меня на мысль, что с их помощью мы можем изучать другие системы, такие как мозг и сети передачи данных, которые мы создаем, и даже рак.

Все эти системы объединяет отсутствие центра управления. Колония муравьев состоит из стерильных самок-рабочих, муравьев, которых мы видим вокруг, и одной или более способной к размножению матки, которая только откладывает яйца. Они не дают никаких распоряжений. Несмотря на то, что их называют королевами, они не сообщают никому, что делать. Муравьиная колония, где нет управляющих, и подобные ей системы без центра управления регулируются простейшими взаимодействиями. Муравьи взаимодействуют через запахи. Они чувствуют запах антеннами, и они взаимодействуют при помощи антенн. Когда один муравей соприкасается с антеннами другого, он может узнать, например, принадлежит ли другой муравей к тому же муравейнику, и какие работы другой муравей выполняет. Тут вы видите множество муравьев, перемещающихся и взаимодействующих на лабораторной площадке, которая соединена трубками с двумя другими площадками. Когда один муравей встречает другого, — неважно, какого муравья он встречает, — в действительности они не передают каких-то сложных сигналов или сообщений. Важно для муравья только место, в котором он встречает других муравьев. И все эти взаимодействия, вместе взятые, образуют сеть. Это и есть муравьиная сеть, которую вы только что видели перемещающейся по площадке, и это постоянно перемещающаяся сеть определяет поведение колонии, как то, прячутся ли все муравьи внутри муравейника, и сколько из них собирается на поиски пропитания. На самом деле, так же работает и наш мозг, но в муравьях прекрасно то, что вы можете наблюдать всю сеть целиком.

Существует более 12 000 видов муравьев в любой возможной среде, и они используют взаимодействие по-разному, чтобы успешно противостоять условиям среды. Одна из сложных задач окружающей среды, с которой сталкивается каждая система, — это затраты на поддержание жизнедеятельности, те, что нужны для поддержания работы системы. И другая проблема, которую ставит окружающая среда, — это ресурсы, их поиск и сбор. В пустыне затраты на поддержание жизнедеятельности высоки, потому что вода в дефиците, и муравьи-семяеды, которых я изучала в пустыне, должны потратить воду, чтобы добыть ее. Муравей, находясь снаружи в поисках пищи, ищет семена под палящим солнцем, тем самым теряя воду, испаряющуюся в воздух. Но колония получает воду в процессе преобразования жиров из семян, которые они едят. В данных условиях среды взаимодействие нужно для сбора пищи. Собирающийся на поиски муравей-сборщик не выйдет до тех пор, пока не получит достаточно информации от вернувшихся сборщиков. Тут вы видите возвращающихся сборщиков, проходящих по туннелю в муравейник, которые встречают выходящих сборщиков на своем пути. Это очень важно для колонии, потому что чем больше пищи снаружи, тем быстрее сборщики найдут ее, и тем быстрее они вернутся, и тем больше сборщиков они смогут послать. Работа системы неумолимо продолжается до тех пор, пока не произойдут улучшения.

Таким образом, взаимодействия запускают процесс поиска пищи. Мы изучали развитие этой системы. Во-первых, есть различия. Оказывается, колонии бывают разными. В засушливые дни некоторые колонии ищут пищу менее активно, поэтому колонии различны в том, как они выбирают оптимальное соотношение между тратой воды на поиск семян и получением воды в виде семян. И мы пытаемся понять, почему некоторые колонии ищут пищу меньше, чем другие, рассматривая муравьев как нейроны, используя модели нейробиологии. Как только нейрон получает сигналы от других нейронов, он решает, передавать ли возбуждение; муравей получает сигналы от других муравьев и решает, отправляться ли на поиски пищи. Мы ищем наличие возможности небольших отличий среди колоний в том, сколько взаимодействий нужно каждому муравью для того, чтобы он отправился на поиски пропитания, так как подобная колония получит меньше пищи.

И тут появляется аналогичный вопрос о мозге. Мы говорим о мозге, но, конечно, каждый мозг немного отличается, и, возможно, есть такие люди и такие условия, в которых электрические свойства нейронов таковы, что им требуется больше сигналов для возбуждения, и это может привести к различиям в работе мозга.

Чтобы задавать вопросы о развитии, нам сначала нужно знать об успехах в размножении. Это карта исследуемого региона, на которой я прослеживала популяцию муравьев-жнецов в течение 28 лет, это примерно столько, сколько живет колония. Каждый круг — это колония. Размер круга показывает размер потомства. Мы смогли проследить генетические изменения для сравнения родительских и дочерних колоний, и мы выяснили, какие колонии были созданы дочерьми королев и от каких родительских колоний. И каково было мое изумление после всех этих лет выяснить, например, что колония 154, которую я хорошо знала многие годы, – это прабабушка. Вот ее дочерняя колония, а вот ее колония-внучка, а вот ее колонии-правнучки. В результате я смогла установить, что колонии-потомки похожи на свои родительские колонии в своем решении, какой день считать засушливым и не идти на поиски пищи; потомки родительских колоний живут настолько далеко друг от друга, что муравьи никогда не встречаются, поэтому муравьи колоний-потомков не могут научиться этому у родительских колоний. И наш следующий шаг — это поиск генетических изменений, отвечающих за это сходство.

Тогда я могла бы спросить: кому же лучше? Во время моего изучения, особенно последние 10 лет, была жесточайшая и затяжная засуха на юго-западе США, и оказалось, что колонии, сохранившие воду, остававшиеся внутри в очень жаркие дни и, таким образом, жертвовавшие потенциально добытой пищей, вероятней всего, имели колонии-потомки. Все это время я думала, что колония 154 – неудачники, потому что в очень засушливые дни у нее было лишь небольшое количество еды, в то время как другие колонии были снаружи, собирая много пищи. Но в действительности колония 154 имела огромный успех. Она матриарх. Она одна из немногих прабабушек в этом регионе. По моим сведениям, впервые нам удалось отследить происходящее развитие коллективного поведения в естественной популяции животных и узнать, что работает лучше.

Сейчас интернет использует алгоритм для управления потоками данных очень похожий на тот, что муравьи-жнецы используют для управления потоками сборщиков. Догадайтесь, как мы зовем данную аналогию? Антернет наступает. [от англ. ant — муравей] Данные не покидают компьютер-источник, пока он не получит сигнал, что достаточно пропускной способности для перемещения данных. На заре интернета, когда эксплуатационные расходы были высоки, было очень важно не потерять данные, поэтому система была настроена на взаимодействия для активации передачи данных. Примечательно то, что муравьи используют алгоритм, очень похожий на тот, что мы недавно создали, но это лишь один из многих алгоритмов муравьев, о котором нам известно. У муравьев было 130 млн лет для создания множества хороших алгоритмов, и я считаю очевидным, что некоторые из остальных 12 000 видов имеют интересные алгоритмы для сетей передачи данных, о которых мы даже и не думали.

Что происходит, когда затраты на поддержание жизнедеятельности низки? Затраты на поддержание жизнедеятельности низки в тропиках, так как там очень влажно и муравьи легко могут находиться снаружи для поисков. Но муравьи настолько распространены и разнообразны в тропиках, что появляется большая конкуренция. Какой бы ресурс ни использовал один вид, другой вид, вероятно, также использует его в то же время. В этих условиях взаимодействие применяется наоборот. Система работает, пока не случится что-то негативное. Один вид, который я изучаю, двигается по контурам на деревьях, на которых кормятся муравьи, двигаясь от муравейника к источнику пищи и обратно, круг за кругом, пока не случится что-то негативное, как взаимодействие с муравьями другого вида. Вот пример муравьиной системы безопасности. В центре находится муравей, преграждая вход в гнездо своей головой в результате взаимодействий с другими видами. Те маленькие муравьи ползают вокруг с поднятыми вверх брюшками. Но как только угроза исчезает, вход снова открывается. В компьютерной безопасности возможны ситуации, когда эксплуатационные расходы достаточно низки, чтобы мы просто могли временно заблокировать доступ в ответ на внезапную угрозу и затем вновь открыть его вместо того, чтобы пытаться установить постоянно активный брандмауэр или иную защиту.

Другой вызов окружающей среды, с которым сталкивается каждая система, — это ресурсы, их поиск и сбор. Чтобы выполнить это, муравьи решают проблему коллективного поиска, и этой проблемой сейчас активно интересуется робототехника, так как мы поняли, что вместо того, чтобы посылать одного сложного, дорогого робота для изучения другой планеты или поиска в горящем здании, намного эффективней использовать группу более дешевых роботов, передающих только минимально необходимую информацию. Именно так это делают муравьи. Агрессивный аргентинский муравей создает обширную поисковую сеть. Они хорошо справляются с основной проблемой коллективного поиска, которая состоит в компромиссе между тщательным поиском и покрытием большой территории. И вот что они делают: когда муравьев много на маленьком пространстве, каждый ищет очень тщательно, так как рядом находится другой муравей, ищущий там же; но когда муравьев немного на большом пространстве, им нужно вытянуть их маршруты, чтобы покрыть большую территорию. Думаю, они используют взаимодействия, чтобы оценить расстояние, поэтому, когда они действительно скучены, они чаще встречаются, и они ищут тщательней. Разные виды муравьев должны использовать разные алгоритмы, так как они развивались, имея разные ресурсы. Узнать об этом было бы действительно полезно, и недавно мы предложили муравьям решить проблему коллективного поиска в экстремальных условиях невесомости на Международной космической станции. Когда я впервые увидела эту картину, я подумала: «О нет, они установили их жилище вертикально», — но потом я поняла, что, конечно, это неважно. Смысл тут в том, что муравьям трудней зацепиться за стену, или пол, или называйте, как вам угодно, поэтому они взаимодействуют меньше, и отношение между тем, насколько они скучены и как часто они сталкиваются, не прослеживалось бы. Мы пока анализируем данные. У меня пока нет результатов. Но было бы интересно узнать, как другие виды справляются с этой проблемой в различных условиях на Земле. Для этого мы установили программу, позволяющую детям по всему миру, попытаться поставить опыт с другими видами. Это очень просто. Для этого могут использоваться дешевые материалы. Таким образом мы могли бы создать глобальную карту алгоритмов коллективного поиска муравьев. Думаю, что, скорей всего, агрессивные виды, те, что пришли в ваши дома, по-настоящему хороши в этом, так как они на вашей кухне и они очень хорошо находят пищу и воду.

Самый знакомый ресурс для муравьев — это пикник, и это сгруппированный ресурс. Рядом с одним фруктом, скорей всего, будет другой фрукт, и муравьи, специализирующиеся на сгруппированных ресурсах, используют взаимодействия для найма новобранцев. Когда один муравей сталкивается с другим или находит химические вещества, оставленные на земле другим муравьем, он меняет движение в направлении взаимодействия — так вы можете получить колонну муравьев, делящих с вами пикник.

В подобном месте, думаю, мы могли бы узнать что-то от муравьев о раке. Во-первых, очевидно, мы можем сделать многое для предотвращения рака за счет запрета распространения или продажи токсинов, приводящих к развитию рака в наших телах. Но я не думаю, что муравьи могут нам здесь сильно помочь, так как муравьи никогда не отравляют свою колонию. Но мы можем узнать от них нечто, помогающее лечению рака. Существует много разновидностей рака. Каждый возникает в определенной части тела, и затем некоторые виды рака распространятся или распространят метастазы в другие ткани, где могут получить необходимые ресурсы. Если рассматривать ситуацию со стороны метастатических раковых клеток, когда они находятся в поиске необходимых ресурсов, если эти ресурсы сгруппированы, то, вероятно, они будут использовать взаимодействие для привлечения других клеток, и если мы сможем определить, как раковые клетки привлекают другие клетки, то мы сможем расставить ловушки, чтобы поймать их до того, как они будут вовлечены.

Муравьи используют взаимодействия по-разному в огромном разнообразии сред, и мы можем узнать у них о других системах, работающих без центра управления. Используя только простые взаимодействия, муравьиная колония демонстрирует потрясающие успехи уже более 130 млн лет. Есть многое, чему мы можем научиться у них.

Перевод: Наталия Дмитриева
Редактор: Ольга Дмитроченкова

Источник