Дебора Гордън разкопава мравуняци

Изучавам мравките, защото обичам да мисля за това как действат организациите. И особено как простите части от организациите си взаимодействат, за да създават поведението на цялата организация. Мравешките колонии са един добър пример за такава организация; има и много други. Мрежата е един от тях. Има много такива биологични системи... мозъци, клетки, развиващи се ембриони.

Съществуват около 10 000 вида мравки. Всички те живеят в колонии, състоящи се от една или няколко царици, а всички мравки, които виждате да пълзят наоколо, са стерилни женски работнички. Общото между всички мравешки колонии е, че няма централен контрол. Никой не казва на никого какво да прави. Царицата само снася яйцата. Няма управление. Никоя мравка не насочва поведението на никоя друга мравка. Опитвам се да разбера как действа това. И през последните 20 години съм работила върху една популация хранещи се със семена мравки в югоизточна Аризона.

Ето мястото на моето проучване. Това всъщност е снимка на мравките, а заекът просто случайно е там. Тези мравки се наричат мравки-жътварки, защото ядат семена. Това е гнездото на зрялата колония, а там е входът на гнездото. Събират храна може би в радиус от около 20 метра, събират семената, носят ги в гнездото и ги съхраняват. Всяка година ходя там и правя карта на мястото си на проучване. Това е просто път. Не е много голям, около 250 метра от едната страна, 400 от другата. Всяка колония има име, което е число. Изписано върху камък. Ходя там всяка година, търся всички колонии, които са били живи предната година, разбирам кои са загинали и поставям всички нови върху картата. По този начин знам на каква възраст са всички те. И поради това имам възможност да проучвам как се променя поведението им, докато колонията става по-стара и по-голяма.

Искам да ви разкажа за жизнения цикъл на една колония. Мравките никога не правят повече мравки - колониите правят повече колонии. А правят това, като всяка година изпращат навън репродуктивните... онези с криле... на полет за чифтосване. Всяка година, в същия ден... мистерия е как точно се случва това... всяка колония изпраща своите девствени, нечифтосвали се царици с криле и мъжките, и всички те отлитат на едно общо място. И се чифтосват. Това показва една доскоро девствена царица. Ето крилете й. Тя е в процес на чифкосване с този мъжки, а отгоре има друг мъжки, чакащ реда си. Често цариците се чифтосват повече от веднъж. А след това всички мъжки измират. Толкова за тях.

(Смях)

А после новочифтосалите се царици отлитат нанякъде, оставят крилете си, изкопават дупка, влизат в тази дупка и започват да снасят яйца. Те ще живеят 15 до 20 години, като продължават да снасят яйца, използвайки спермата от онова първоначално чифтосване. Значи, царицата слиза ето там. Тя снася яйца, храни ларвите... мравката започва като яйце, после е ларва. Тя храни ларвите, като повръща от мастните си резерви. После, щом мравките... първата група мравки... излязат, те са ларви. После са какавиди. После излизат като възрастни мравки. Излизат, вземат храната, изкопават гнездото, и царицата повече никога не излиза.

Това е едногодишна колония... тази случайно е 536. Това е входът на гнездото, ето един молив за мащаб. Това е колонията, основана от една царица предното лято. Това е тригодишна колония. Ето го входа на гнездото, ето молив за мащаб. Правят купчина, куп отпадъци... най-вече люспите от семената, които ядат. Това е петгодишна колония. Това е входът на гнездото, ето молив за мащаб. Приблизително такава големина достигат, около метър ширина. А ето как се променя размерът на колонията и броят мравки-работнички... това са около 10 000 мравки-работнички... променя се като функция от възрастта на колонията в години. Започва с нула мравки, само царицата-основателка, и расте до размер от около 10 или 12 хиляди мравки, когато колонията стане на пет години. И остава в този размер, докато царицата умре и няма кой да прави повече мравки, когато тя е 15 или 20-годишна. А когато достигнат този стабилен размер, в брой мравки, тогава започват да се възпроизвеждат. Тоест, да изпращат повече крилати царици и мъжки на онзи годишен полет за чифтосване. Знам как се променя размерът на колонията като функция от възрастта на колонията, защото съм разкопавала колонии с известна възраст и съм броила всички мравки. Това не е най-забавната част от това изследване, макар и да е интересно.

(Смях)

Наистина, въпросът, по който мисля за тези мравки, е онова, което наричам разпределение на задачите. Това не е само начинът на организация на колонията, но как променя тя онова, което прави? Как така колонията успява да нагласи броя на работници, изпълняващи всяка задача, при променящи се условия? С една мравешка колония се случват разни неща. Когато вали през лятото, тя се наводнява в пустинята. Гнездото понася много щети и са необходими допълнителни мравки, за да разчистят бъркотията. Когато има налична допълнителна храна... ето какво знае всеки за пикниците... тогава се разпределят допълнителни мравки, за да събират храната. Тогава, щом никой не казва на никого какво да прави, как така колонията успява да нагласи броя работници, изпълняващи всяка задача? Това е процесът, който наричам разпределение на задачите.

А при мравките-жътварки деля задачите на мравките, които виждам отвън пред гнездото, на тези четири категории: когато една мравка събира храна, когато е навън по пътя за събиране на храна, търси храна или носи храна обратно. Патрулите... това би трябвало да е лупа... са интересна група, която излиза рано сутрин, преди събирачите на храна да са активни. Те някак избират посоката, в която ще тръгнат събирачите, и като се връщат... само като успяват да се върнат... казват на събирачите, че е безопасно да излязат навън. Тогава работниците по поддръжка на гнездото работят вътре в гнездото и исках да кажа, че гнездата много приличат на къщата на Бил Лишман. Тоест, вътре има стаи, те мажат стените на стаите с влажна почва и тя изсъхва до нещо като подобна на кирпич повърхност вътре. Също така много прилича на някои от пещерните жилища на племето хопи, намиращи се в този район. А работниците по поддръжка на гнездото правят това вътре в гнездото и излизат от гнездото, носейки парченца суха почва в мандибулите си. Виждате как работниците по поддръжка на гнездото излизат с песъчинка, оставят я, обръщат се и отново влизат вътре. И най-сетне, боклучарите-работници поставят някакъв вид териториален химикал в боклука. Онова, което виждате да правят боклучарите-работници, е, че трупат купчина отпадъци. Един ден всичко ще е там, а на следващия ден ще го преместят ей там, а после ще го преместят обратно. Това правят боклучарите-работници. А тези четири групи са само мравките извън гнездото. Това е само около 25 процента от колонията, и те са най-старите мравки.

Значи, една мравка започва някъде близо до царицата. А когато разкопаваме гнезда, откриваме, че са приблизително толкова дълбоки, колкото е широка колонията, значи около метър дълбочина за големите стари гнезда. После има друг дълъг тунел и стая, където често намираме царицата, след осем часа сечене на скалата с кирка. Не мисля, че тази стая е еволюирала заради мен и моята копачка и екипа студенти с кирки, а защото, когато има наводнение, поякога колонията трябва да слезе дълбоко долу. Затова има цяла мрежа от стаи. Царицата е някъде там вътре, тя само снася яйца. Ето ги ларвите, а те консумират повечето от храната. Това е вярно за повечето мравки... че мравките, които виждате да се разхождат наоколо, не ядат особено много. Носят го обратно и хранят с него ларвите. Когато събирачите влязат с храна, те просто я пускат в горната стая, други мравки се качват отдолу, вземат храната, връщат я обратно, лющят семената и ги трупат на купчина. Из цялото гнездо има работници по поддръжка на гнездото. Любопитно и интересно е, че като че ли по всяко време около половината мравки в колонията просто не вършат нищо. Така че, въпреки онова, което пише в Библията, нали знаете, "Гледай мравката, ти, ленивецо", всъщност може да се мисли за тези мравки като за резерви. Тоест, ако нещо се случи... а никога не съм виждала да се случва нищо такова, но гледам само от 20 години... ако нещо се случи, биха могли всички да излязат, ако са нужни. Но всъщност те най-вече просто си стоят там вътре.

И мисля, че това е много интересен въпрос... какво има в начина на организация на колонията, което би могло да дава някаква функция на резерв от мравки, които не правят нищо? Те някак стоят като буфер помежду мравките, работещи дълбоко вътре в гнездото, и мравките, работещи навън. А ако се маркират мравки, които работят навън, и разкопаеш колония, никога не ги виждаш дълбоко долу. Значи онова, което се случва е, че мравките работят вътре в гнездото, когато са по-млади. Някак влизат в този резерв. А после в крайна сметка ги набират, за да се присъединят към тази външна работна сила. Щом веднъж принадлежат към мравките, които работят навън, никога не се връщат вече вътре. Мравките... повечето мравки, включително тези, не виждат много добре. Имат очи, могат да различават светло от тъмно, но работят най-вече чрез обоняние. Така че, само за да подсиля, че онова, което може би сте мислили за мравките-царици, не е вярно... знаете ли, дори ако царицата имаше интелигентността да изпраща химически послания чрез цялата тази мрежа от стаи, за да каже на мравките навън какво да правят, няма начин такива послания да стигнат навреме, за да видят смените в разпределението на работници, които всъщност виждаме извън гнездото. Това е един начин да разберем, че царицата не насочва поведението на колонията.

Когато за пръв път започнах работа по разпределението на задачите, първият ми въпрос беше: "Каква е връзката между мравките, изпълняващи различни задачи? Има ли значение за събирачите какво правят работниците по поддръжка на гнездото? Има ли значение за боклучарите-работници какво правят патрулите?" Работех в контекста на един възглед за мравешките колонии, според който всяка мравка някак е посветена на задачата си от рождение и някак изпълнява независимо от другите, като знае мястото си на поточната линия. А вместо това исках да попитам: "Как са взаимосвързани различните групи от задачи?"

Затова провеждах експерименти, където променях нещо. Например, създавах повече работа за работниците по поддръжка на гнездото, като слагах купчина клечки за зъби близо до входа на гнездото, рано сутрин, когато работниците по поддръжка на гнездото стават активни. Ето как изглежда около 20 минути по-късно. Тук е около 40 минути по-късно. Работниците по поддръжка на гнездото просто занасят всички клечки за зъби към външния ръб на купчината на гнездото и ги оставят там. А онова, което исках да знам, беше: "Окей, ето една ситуация, при която се набират допълнителни работници по поддръжка на гнездото... ще има ли това някакъв ефект върху работниците, изпълняващи други задачи?" После повторихме всички тези експерименти с маркираните мравки. Ето някои сини работници по поддръжка на гнездото. А напоследък сме станали по-изтънчени и имаме една трицветна система. Можем да ги маркираме индивидуално, така че знаем коя мравка коя е. Започнахме с боя за самолетни модели, а после открихме тези чудесни малки японски маркери, които действат наистина добре. И, просто за да обобщим резултата, оказва се, че да, различните задачи са взаимозависими. Ако променя броя изпълняващи една задача, това променя броя изпълняващи друга. Например, ако създам бъркотия, която работниците по поддръжка на гнездото трябва да разчистят, тогава виждам по-малко мравки навън да събират храна. И това беше вярно за всички двойни комбинации от задачи.

А вторият резултат, който беше изненадващ за много хора, беше, че мравките всъщност си разменят задачи. Същата мравка не върши същата задача отново и отново през целия си живот. Например, ако оставя допълнителна храна, всички други... боклучарите-работници спират да си вършат работата и идват да вземат храната, стават събирачи на храна. Работниците по поддръжка на гнездото стават събирачи на храна. Патрулите стават събирачи на храна. Но не всеки преход е възможен. А това показва как действа. Както току-що казах, ако има повече храна за събиране, патрулите, боклучарите работници, работниците по поддръжка на гнездото - всички ще сменят задачата си със събиране на храна. Ако трябва да се патрулира повече... затова създадох смут, така че бяха нужни допълнителни патрули... работниците по поддръжка на гнездото превключват към патрул. Но ако е нужна повече работа по поддръжка на гнездото... например, ако поставя купчина клечки за зъби... тогава никой няма да превключи отново към поддръжка на гнездото, трябва да повикат работници по поддръжка на гнездото отвътре. Значи, събирането на храна действа като умивалник, а мравките вътре в гнездото действат като извор. И най-сетне, изглежда, като че ли всяка мравка решава в определен момент дали да е активна, или не.

Например, когато има допълнителна работа по поддръжка на гнездото, събирачите не превключват. Знам, че не го правят. Но събирачите някак решават да не излизат. И тук беше най-интригуващият резултат: разпределението на задачите. Този процес се променя с възрастта на колонията, и се променя ето така. Когато правя тези експерименти с по-стари колонии... такива на петгодишна възраст или по-стари... те са много по-последователни от един момент към друг. И много по-хомеостатични. Колкото по-зле стават нещата, колкото повече ги дразня, толкова повече действат като необезпокоявани колонии. Докато младите, малки колонии... двегодишните колонии от само 2000 мравки... са много по-променливи. Изумителното в това е, че една мравка живее само една година. Би могла да е тази година, или онази година. Значи, мравките в по-старата колония, която изглежда по-стабилна, не са по-възрастни от мравките в по-младата колония. Не се дължи на опита на по-стари, по-мъдри мравки. А нещо в организацията трябва да се променя с остаряването на колонията. Очевидното нещо е, че тя променя размера си.

Откакто получих този резултат, съм прекарала много време в опити да проумея какви видове решения управляват... много прости, локални, вероятно обонятелни, химични. Правила, които една мравка би могла да използва, тъй като никоя мравка не може да оцени глобалната ситуация... което би имало резултата, който виждам. Тази предвидима динамика в това кой каква задача изпълнява. И това ще се промени с разрастването на колонията. Онова, което съм открила е, че мравките използват мрежа от антенен контакт. Всеки, който някога е гледал мравки, ги е виждал да си допират антените. Те миришат с антените си. Когато една мравка докосне друга, я мирише. И може да прецени, например, дали другата мравка е другар от гнездото, защото мравките се покриват една в друга чрез почистване с пласт мазнина, който носи специфичен за колонията мирис. И онова, което научаваме е, че една мравка използва модела на антенните си контакти, скоростта, с която среща мравки или други задачи, за да реши какво да прави. И така, посланието не е просто каквото и да е послание, което си предават от една мравка на друга, а моделът. Самият модел е посланието. Ще ви разкажа малко повече за това.

Но първо може би се чудите, как така една мравка може да прецени... например, аз съм събирач. Очаквам да срещам друг събирач доста често. Но ако вместо това започна да срещам по-висок брой работници за поддръжка на гнездото, е по-малко вероятно да събирам храна. Така че тя трябва да знае разликата между събирач и работник по поддръжка на гнездото. Научили сме, че при този вид... а подозирам, че и при други... тези въглеводороди, този пласт мазнина отвън върху мравките, е различен, когато мравките изпълняват различни задачи. Извършвали сме експерименти, които показват, че това е, защото колкото по-дълго една мравка стои отвън, толкова повече се променят тези прости въглеводороди по повърхността й, така че започват да миришат различно чрез изпълнение на различни задачи. И могат да използват този специфичен за задачата мирис в кожните въглеводороди... могат да използват това в кратките си антенни контакти, за да следят някак скоростта, с която срещат мравки с определени задачи. Съвсем наскоро демонстрирахме това, като поставихме екстракт от въглеводороди върху малки стъклени мъниста и пускахме внимателно мънистата долу във входа на гнездото с подходящата скорост. Оказва се, че мравките откликват на високата скорост на контакт със стъклено мънисто, покрито с въглеводороден екстракт, както биха откликнали при контакт с истински мравки.

Искам да ви покажа малко филм... това ще започне, първо, да ви покажа входа на гнездото. Идеята е, че мравките влизат и излизат от входа на гнездото. Излезли са, за да вършат различни задачи, а скоростта, с която се срещат, докато влизат и излизат от входа на гнездото, определя, или влияе върху решението на всяка мравка дали да излезе и коя задача да изпълни. Това е снимано през фиброоптичен микроскоп. Долу е, вътре в гнездото. В началото само виждаш как мравките някак се занимават с фиброоптичния микроскоп. Но идеята е, че мравките са там вътре, и всяка мравка преживява определен поток от мравки покрай себе си... поток от контакти с други мравки. А моделът на тези взаимодействия определя дали мравката ще излезе отново, и какво прави, когато излезе отново. Това може да се види също и при мравките точно пред входа на гнездото, като тези. Тогава всяка мравка, докато влиза отново, има контакт с други мравки. А мравките, които чакат точно отвътре, до входа на гнездото, да решат дали да излязат на следващото си пътуване, влизат в контакт с влизащите мравки.

Интересното в тази система е, че тя е объркана. Променлива е. Шумна е. И особено по два начина. Първият е, че преживяването на мравката... на всяка мравка... може да бъде много предвидимо. Тъй като скоростта, с която се връща всяка мравка, зависи от всички малки неща, които се случват на една мравка, докато излиза и върши задачата си навън. А второто е, че способността на една мравка да оценява този модел трябва да е много груба, защото никоя мравка не може да се справи с някакво изтънчено броене. Така че правим много стимулиране и моделиране, както и експериментална работа, за да се опитаме да проумеем как се комбинират тези два вида шум и сумарно предизвикват предвидимото поведение на мравешките колонии.

Отново, не искам да кажа, че този вид случаен модел на взаимодействие създава фабрика, която работи с прецизността и ефикасността на часовников механизъм. Всъщност, ако изобщо наблюдаваш мравки, в крайна сметка се опитваш да им помагаш, защото като че ли никога не правят нищо точно по начина, който мислиш, че би трябвало да го правят. Така че всъщност от тези случайни контакти не възниква съвършенство. Но действа доста добре. Мравките съществуват от няколкостотин милиарда години. Те покриват Земята, освен Антарктика. Нещо, което правят, явно е достатъчно успешно, че тази схема от случайни контакти, сумарно, създава нещо, което позволява на мравките да правят много повече мравки. И едно от нещата, които изучаваме, е как естественият подбор би могъл да действа за формиране на тази употреба на модели на взаимодействие... тази схема от модели на взаимодействие вероятно да повишават ефикасността на събиране на храна от мравешките колонии.

Едно нещо обаче, което искам да помните за това е, че тези модели на взаимодействия са нещо, което бихте очаквали да бъде тясно свързано с размера на колонията. Най-простата идея е, че когато една мравка е в малка колония... а една мравка в голяма колония може да използва същото правило, като "Очаквам да срещам друг събирач на всеки три секунди". Но в малка колония е вероятно да се срещат по-малко събирачи, просто защото там има по-малко други събирачи за срещане. Това е видът правило, което, докато колонията се развива, става по-стара и по-голяма, ще причинява различно поведение в една стара колония и в една малка, млада такава.

Благодаря.

(Аплодисменти)