Deborah Gordon diept mieren op

Ik bestudeer mieren, omdat ik graag nadenk over hoe organisaties werken. In het bijzonder over hoe eenvoudige onderdelen van organisaties interageren om het gedrag van de hele organisatie te vormen. Mierenkolonies zijn een goed voorbeeld van een dergelijke organisatie. Er zijn er nog. Het internet is er een. Er zijn vele biologische systemen van dit type -- hersenen, cellen, embryo's in ontwikkeling.

Er zijn ongeveer 10.000 soorten mieren. Ze leven allemaal in kolonies die bestaan uit één of meer koninginnen. Alle mieren die je ziet rondlopen zijn steriele vrouwelijke werksters. Alle mierenkolonies hebben gemeen dat er geen centrale controle is. Niemand vertelt een ander wat te doen. De koningin legt gewoon de eitjes. Er is geen bestuur. Geen mier bepaalt het gedrag van enige andere mier. Ik probeer uit te zoeken hoe dat werkt. Ik heb de jongste 20 jaar gewerkt rond een populatie van zaadetende mieren in Zuid-Oost-Arizona.

Hier is de plaats van mijn studie. Dit is een foto van mieren, het konijn was toevallig op die plek. Deze mieren heten maaimieren omdat ze zaden eten. Dit is het nest van de mature kolonie. Hier is de ingang van het nest. Ze bevoorraden zich ongeveer 20 meter in het rond. Ze verzamelen zaden, brengen ze terug naar het nest en slaan ze op. Ik ga er elk jaar naartoe en maak een kaart van mijn studieplaats. Dit is gewoon een weg. Die is niet zo groot, ongeveer 250 meter aan één kant en 400 meter aan de andere. Elke kolonie heeft een naam, een nummer. Dat is op een rots geschilderd. Ik ga elk jaar kijken en zoek alle kolonies die het vorige jaar in leven waren. Ik zoek uit de welke uitgestorven zijn en plaats de nieuwe op de kaart. Door dit te doen, weet ik hoe oud ze zijn. Daardoor heb ik kunnen bestuderen hoe hun gedrag verandert naarmate de kolonie ouder en groter wordt.

Ik wil jullie vertellen over de levenscyclus van een kolonie. Mieren maken nooit meer mieren. Kolonies maken meer kolonies. Dat doen ze door elk jaar de vruchtbare exemplaren uit te sturen -- dat zijn de mieren met vleugels -- op een paringsvlucht. Elk jaar op dezelfde dag --het is een mysterie hoe dat precies gebeurt -- stuurt elke kolonie haar maagdelijke koninginnen en de mannetjes uit. Ze vliegen allemaal naar dezelfde plek. En ze paren. Hier zie je een koningin die pas nog maagd was. Daar zijn haar vleugels. Ze is aan het paren met een mannetje. Er zit nog een mannetje op dat zijn beurt afwacht. De koninginnen paren vaak meer dan eens. Daarna sterven alle mannetjes. Voor hen is het afgelopen.

(Gelach)

De koninginnen die pas gepaard hebben, vliegen ergens heen, werpen hun vleugels af, graven een gat, kruipen erin en beginnen eitjes te leggen. Ze leven 15 tot 20 jaar en blijven eitjes leggen op basis van het zaad van die eerste paring. De koningin kruipt daar naar binnen. Ze legt eitjes en voedt de larven. Een mier begint als een eitje en wordt dan een larve. Ze voedt de larven door haar vetreserves uit te braken. Zodra de mieren -- de eerste groep mieren -- uitkomen, zijn het larven. Dan zijn het poppen. Dan komen ze uit als volwassen mieren. Ze gaan naar buiten, halen voedsel, graven het nest, en de koningin komt nooit meer buiten.

Dit is een kolonie van een jaar oud-- toevallig nummer 536. Daar is de ingang van het nest. Een potlood geeft de schaal aan. Dit is de kolonie die een koningin de zomer ervoor heeft gesticht. Dit is een kolonie van drie jaar oud. Daar is de ingang van het nest. Een potlood geeft de schaal aan. Ze maken een afvalhoop, een hoop afval -- meestal de doppen van de zaden die ze eten. Dit is een kolonie van vijf jaar oud. Dit is de ingang van het nest. Een potlood geeft de schaal aan. Zo groot worden ze ongeveer, een meter diameter. Dit is hoe de omvang van de kolonie en het aantal werkmieren verandert. Dit zijn ongeveer 10.000 werkmieren -- dit wijzigt in functie van de leeftijd van de kolonie, in jaren. Het begint met nul mieren, alleen de stichtende koningin, en het groeit uit tot ongeveer 10 à 12.000 mieren als de kolonie vijf jaar is. Ze blijft zo groot tot de koningin sterft en er niemand nog nieuwe mieren maakt, als ze 15 tot 20 jaar is. Het is bij het bereiken van die stabiele status, in aantallen mieren, dat ze beginnen te reproduceren. Dat wil zeggen: meer gevleugelde koninginnen en mannetjes uitsturen naar de paringsvlucht van dat jaar. Ik weet hoe de omvang van de kolonie wijzigt in functie van haar leeftijd, omdat ik kolonies heb opgegraven waarvan de leeftijd bekend was, en alle mieren heb geteld. Dat is niet het spannendste deel van dit onderzoek, hoewel het interessant is.

(Gelach)

Wat me echt intrigeert aan deze mieren is wat ik taaktoewijzing noem. Dat is niet alleen de organisatie van de kolonie, maar de vraag hoe ze verandert wat ze doet. Hoe kan de kolonie het aantal werksters aanpassen dat een taak afwerkt, in functie van wijzigende omstandigheden? Er gebeuren dingen met mierenkolonies. Als het tijdens de zomer regent, overstroomt het in de woestijn. Er is veel schade aan het nest en er zijn extra mieren nodig om de rommel op te ruimen. Als er extra voedsel voorhanden is -- en dat weet iedereen die gaat picknicken -- dan worden extra mieren uitgestuurd om voedsel te verzamelen. Als niemand iemand instructies geeft, hoe kan de kolonie dan de aantallen werksters aanpassen die elke taak uitvoeren? Dat is het proces dat ik taaktoewijzing noem.

Bij maaimieren verdeel ik de taken van de mieren die ik vlak buiten het nest zie, in deze vier categorieën: mieren die voedsel halen, die buiten foerageren, die voedsel zoeken of terugbrengen. De patrouillemieren -- dat moet een vergrootglas voorstellen -- zijn een interessante groep die 's ochtends uitgaan voor de foeragemieren actief worden. Ze kiezen zowat de richting die de foeragemieren zullen uitgaan, en door terug te keren -- louter door terug te keren -- laten ze de foeragemieren weten dat het veilig is om buiten te gaan. De nestonderhoudsmieren werken binnen in het nest, en ik wilde zeggen dat de nesten erg lijken op het huis van Bill Lishman. Er zijn kamers binnen. Ze bakenen de kamers af met natte grond. Die droogt op tot een soort leemstructuur. Het lijkt ook erg op sommige grotwoningen van de Hopistammen die in dat gebied leven. De nestonderhoudswerksters doen dat binnen in het nest en ze komen naar buiten met stukjes droge grond in hun kaken. Je ziet de nestonderhoudswerksters dus buitenkomen met een beetje zand, dat neerleggen, omkeren en weer naar binnen gaan. Tenslotte zetten de afvalwerksters een soort chemische territoriumafbakening af in het vuil. Je ziet de afvalwerksters een hoop afval maken. Op de ene dag ligt het allemaal hier, de volgende dag verslepen ze het daarheen, en dan slepen ze het terug. Dat is de taak van de afvalwerksters. Deze vier groepen zijn de mieren buiten het nest. Dat is maar ongeveer 25 procent van de kolonie. Het zijn de oudste mieren.

Een mier begint in de buurt van de koningin. Als we nesten opgraven, stellen we vast dat ze ongeveer even diep zijn als de kolonie breed is, dus ongeveer een meter diep voor de grote, oude nesten. Dan is er nog een lange tunnel en een kamer, waar we vaak de koningin aantreffen, na 8 uur inhakken op de rots, met pikhouwelen. Ik denk niet dat de kamer er is geëvolueerd omwille van mij en mijn graafmachine en mijn ploeg studenten met pikhouwelen, maar eerder omdat in tijden van overstroming de kolonie zich soms diep moet verbergen. Er is dus een heel netwerk van kamers. De koningin zit daar ergens binnen. Ze legt alleen maar eitjes. Daar zijn de larven. Zij eten het meeste voedsel op. Dat geldt voor de meeste mieren -- dat de mieren die je ziet rondlopen, niet veel eten. Ze brengen het naar huis en geven het aan de larven. Als de foeragemieren binnenkomen met voedsel, laten ze het gewoon achter in de bovenste kamer. Andere mieren komen naar boven van beneden, nemen het voedsel, brengen het terug, halen de doppen van de zaden en leggen ze op een stapel. Het zijn nestonderhoudswerksters die over heel het nest werken. Merkwaardig en interessant: het lijkt erop dat op elk ogenblik ongeveer de helft van de mieren in de kolonie gewoon niets doen. Ondanks wat er in de Bijbel staat, weet je wel: "Kijk naar de mier, gij luiaard". Deze mieren zou je eigenlijk als reserves kunnen beschouwen. Dat wil zeggen, als er iets gebeurt -- en ik heb nooit iets zien gebeuren, maar ik ben ook nog maar 20 jaar aan het kijken -- als er iets gebeurt, komen ze allemaal naarbuiten als ze nodig zijn. Maar de meesten hangen eigenlijk gewoon wat rond daarbinnen.

Ik denk dat dat een heel interessante kwestie is -- wat in de organisatie van de kolonie maakt dat er een rol is voor reservemieren die zitten te niksen? Ze zijn een soort buffer tussen de mieren die diep in het nest werken, en de mieren die buiten werken. Als je mieren die buiten werken, markeert, en je graaft een kolonie op, dan zie je die nooit diep vanbinnen. Wat er gebeurt, is dat de mieren binnen in het nest werken als ze jonger zijn. Ze komen op één of andere manier in de reserve terecht. Uiteindelijk worden ze gerecruteerd voor de buitenwacht. Eens ze tot de buitenwerksters behoren, gaan ze nooit meer naar beneden. Mieren -- de meeste mieren, en deze ook, zien niet goed. Ze hebben ogen. Ze zien het verschil tussen licht en donker, maar ze werken meestal op geur. Om gewoon te beklemtonen dat wat je zou kunnen denken over mierenkoninginnen, niet waar is -- zelfs als de koningin slim genoeg was om chemische boodschappen door dit hele netwerk van kamers te sturen om de buitenmieren te zeggen wat ze moesten doen, dan is het nog onmogelijk voor deze boodschappen om tijdig de wijzigingen in allocaties van werksters op te merken die we buiten het nest zien. Dat is één van de manieren waarop we weten dat de koningin het gedrag van de kolonie niet stuurt.

Toen ik begon te werken aan taaktoewijzing, was mijn eerste vraag: "Wat is de relatie tussen de mieren die verschillende taken doen? Maakt het de foeragemieren uit wat de nestonderhoudswerksters aan het doen zijn? Maakt het de afvalwerksters uit wat de patrouillemieren aan het doen zijn?" Ik werkte in de context van een kijk op mierenkolonies waarbij elke mier op één of andere manier vanaf zijn geboorte aan zijn taak was gewijd, en die zowat onafhankelijk van anderen uitvoerde, waarbij ze haar plaats in de assemblagelijn kende. In de plaats wilde ik vragen: "Hoe zijn de verschillende taakgroepen van elkaar afhankelijk?"

Dus deed ik experimenten waarbij ik één ding veranderde. Ik creëerde bijvoorbeeld extra werk voor de nestonderhoudswerksters door een stapel tandenstokers bij de ingang van het nest te leggen, vroeg in de ochtend, als de nestonderhoudswerksters eerst actief zijn. Zo zag het er 20 minuten later uit. Dit is ongeveer 40 minuten later. De nestonderhoudswerksters brengen gewoon alle tandenstokers naar de buitenrand van de nestingang en laten ze daar liggen. Wat ik wilde weten, was: "Dit is een situatie waarbij extra nestonderhoudswerksters werden ingeschakeld -- heeft dit effect op de werksters die andere taken doen?" Toen herhaalden we al die experimenten met gemarkeerde mieren. Hier zijn een paar blauwe nestonderhoudswerksters. Recent werden we wat meer gesofisticeerd. We hebben nu een driekleurensysteem. We kunnen ze individueel markeren, dus we weten wie welke mier is. We begonnen met modelvliegtuigjesverf, tot we deze fantastische kleine Japanse stiftjes vonden. Die werken echt goed. Om het resultaat samen te vatten: het blijkt dat de verschillende taken inderdaad van elkaar afhangen. Als ik de aantallen wijzig die één taak doen, dan verandert dat de aantallen die een andere taak doen. Als ik bijvoorbeeld rommel maak die de nestonderhoudswerksters moeten opruimen, dan zie ik minder mieren uit gaan foerageren. Dit was waar voor alle paarsgewijze combinaties van taken.

Het tweede resultaat, dat vele mensen verbaasde, was dat mieren inderdaad van taak wisselen. Dezelfde mier doet niet haar hele leven dezelfde taak. Als ik bijvoorbeeld extra voedsel klaarzet, dan gaan alle andere -- de afvalwerksters stoppen met afvalwerk en gaan het voedsel halen. Het worden foeragemieren. De nestonderhoudswerkstsers worden foeragemieren. De patrouillemieren worden foeragemieren. Maar niet elke overgang is mogelijk. Hier zie je hoe het werkt. Zoals ik al zei, als er meer voedsel te verzamelen is, schakelen de patrouillemieren, de afvalwerksters en de nestonderhoudswerksters allemaal over naar foerageren. Als er meer patrouilles te doen zijn -- ik creëerde een verstoring, zodat er meer patrouillemieren nodig waren -- dan schakelen de nestonderhoudswerkstsers over naar patrouilleren. Maar als er meer nestonderhoudswerk nodig is -- bijvoorbeeld doordat ik een pak tandenstokers klaarleg -- zal niemand ooit terugschakelen naar meer nestonderhoud, dan moeten ze nestonderhoudwerksters van binnen in het nest halen. Foerageren is dus een soort riool, en de mieren binnen in het nest zijn een soort bron; Tenslotte lijkt het erop dat elke mier van moment tot moment beslist of ze al dan niet actief is.

Als er bijvoorbeeld extra nestonderhoudswerk te doen is, schakelen de foeragemieren niet over. Ik weet dat ze dat niet doen. Maar de foeragemieren beslissen om niet buiten te komen. En hier was het meest intrigerende resultaat: de taaktoewijzing. Dit proces wijzigt naarmate de kolonie ouder wordt, op deze manier. Als ik deze experimenten doe met oudere kolonies -- vijf jaar of ouder -- dan zijn ze veel consistenter door de tijd heen. Ze zijn ook stabieler. Hoe erger het wordt, hoe meer ik ze verstoor, hoe meer ze als ongestoorde kolonies handelen. De jonge, kleine kolonies -- de twee jaar oude kolonies van amper 2.000 mieren -- zijn veel wisselvalliger. Het verbazende daaraan is dat een mier maar een jaar leeft. Misschien dit jaar, of dit jaar. De mieren in de oudere kolonie die stabieler lijkt, zijn niet ouder dan de mieren in de jongere kolonie. Het ligt niet aan de ervaring van oudere, wijzere mieren. Er moet iets aan de organisatie veranderen naarmate de kolonie ouder wordt. Het voor de hand liggende ding dat wijzigt, is haar omvang.

Sinds ik dit resultaat verkreeg, heb ik veel tijd doorgebracht met trachten uit te vissen wat voor beslissingsregels -- erg simpele, lokale , waarschijnlijk geur-gedreven en chemische regels regels een mier kan gebruiken -- vermits geen elke mier de hele situatie kan overzien -- om te komen tot het resultaat dat ik zie. Voorspelbare dynamieken met betrekking tot wie welke taak doet. Die zouden veranderen naarmate de kolonie groter wordt. Ik heb ontdekt dat mieren een netwerk van voelsprietencontact gebruiken. Iedereen die al naar mieren heeft gekeken, weet dat ze elkaars voelsprieten aanraken. Ze ruiken met hun voelsprieten. Als een mier een andere aanraakt, ruikt die dat. Ze kan bijvoorbeeld ruiken of de andere mier een nestgenoot is, want mieren bedekken zichzelf en elkaar bij het verzorgen met een laag vet die een geur heeft die eigen is aan de kolonie. We leren dat een mier het patroon van voelsprietencontacten gebruikt, de frequentie waarmee ze mieren met andere taken ontmoet, als ze beslist wat ze gaat doen. De boodschap is dus niet een boodschap die ze aan elkaar doorgeven, maar het patroon. Het patroon zelf is de boodschap. Daar vertel ik jullie wat meer over.

Eerst vraag je je misschien af hoe een mier weet -- bijvoorbeeld, ik ben een foeragemier. Ik verwacht om de zoveel tijd een andere foeragemier te ontmoeten. Maar als ik in de plaats steeds meer nestonderhoudswerksters ontmoet, dan is er minder kans dat ik ga foerageren. Ze moet dus het verschil kennen tussen een foeragemier en een nestonderhoudswerkster. We hebben geleerd dat, bij deze soort -- en ik vermoed ook bij andere soorten -- deze koolwaterstoffen, die laag vet aan de buitenkant van mieren, verschilt naarmate mieren verschillende taken doen. We hebben experimenten gedaan die aantonen dat dat komt omdat naarmate mieren meer buiten blijven, deze simpele koolwaterstoffen op hun buitenkant veranderen, en dat ze dus anders gaan ruiken door andere taken te doen. Ze kunnen die taakspecifieke geur in de koolwaterstoffen op hun buitenkant gebruiken bij hun korte voelsprietencontacten, om op één of andere manier de frequentie te onthouden waarmee ze mieren met andere taken ontmoeten. We hebben dit recent aangetoond door extract van koolwaterstoffen op kleine glazen parels te leggen, en de parels zachtjes in de nestingang te leggen, met de juiste frequentie. Het blijkt dat de mieren reageren op de juiste frequentie van contacten met een glazen parel bedekt met koolwaterstoffenextract, net zoals ze dat zouden doen bij contact met echte mieren.

Nu wil ik jullie een stukje film tonen. Dit begint eerst en vooral met de nestingang. De idee is dat mieren de nestingang in- en uitlopen. Ze zijn buiten geweest voor verschillende taken. De frequentie waarmee ze elkaar ontmoeten, bij het in- en uitlopen van de nestingang, bepaalt, of beïnvloedt de beslissing van elke mier om buiten te gaan, en de taak die ze doet. Dit is gemaakt door een glasvezelmicroscoop. Het is binnen in het nest. In het begin zie je alleen de mieren die in de weer zijn met de glasvezelmicroscoop. De idee is dat de mieren daarbinnen zijn, en dat elke mier een bepaalde toevloed van mieren langs zichzelf ervaart -- een stroom van contacten met andere mieren. Het patroon van deze interacties bepaalt of de mier weer naar buiten gaat, en wat ze doet als ze naar buiten gaat. Je ziet dit ook bij de mieren vlakbij de nestingang, zoals deze. Elke mier maakt, als ze terug binnenkomt, contact met andere mieren. De mieren die binnen wachten vlakbij de nestingang, om te beslissen of ze naar buiten gaan op hun volgende tocht, maken contact met de binnenkomende mieren.

Wat hier interessant aan is, is dat het rommelig is. Het is wisselvallig. Het is rumoerig. Vooral op twee manieren. De eerste is dat de ervaring van de mier -- van elke mier -- niet erg voorspelbaar kan zijn. Want de frequentie waarmee mieren terugkomen, hangt af van alle kleine dingetjes die gebeuren met een mier als ze buiten haar taak gaat vervullen. Het tweede is dat het vermogen van een mier om dit patroon in te schatten, erg ruw moet zijn, want geen enkele mier kan verfijnd tellen. We simuleren en modelleren dus veel, en doen ook experimenteel werk, om uit te vissen hoe die twee soorten rumoer gecombineerd worden om, als geheel, het voorspelbare gedrag van mierenkolonies voort te brengen.

Ik wil niet zeggen dat dit willekeurige patroon van interacties een fabriek voortbrengt die werkt met de precisie en efficiëntie van een uurwerk. Als je naar mieren kijkt, draait het erop uit dat je ze probeert te helpen, want ze lijken nooit iets te doen op de exacte manier die jij voor hen in gedachten had. Het is dus niet zo dat perfectie ontstaat uit deze rommelige contacten. Maar het werkt nogal goed. Mieren bestaan al vele honderden miljoenen jaren. Ze bedekken de hele aarde, behalve Antarctica. Iets in hun handelen is duidelijk succesvol genoeg opdat dit patroon van rommelige contacten, als geheel, iets zou voortbrengen waardoor mieren nog veel meer mieren kunnen maken. Een van de dingen die we bestuderen, is hoe natuurlijke selectie werkt om vorm te geven aan dit gebruik van interactiepatronen -- dit netwerk van interactiepatronen -- misschien om de mierenkolonies efficiënter te laten foerageren.

Het ene ding wat je hiervan moet onthouden, is dat deze interactiepatronen naar verwachting nauw verweven zijn met de omvang van de kolonie. De eenvoudigste idee is dat als een mier bij een kleine kolonie hoort -- en een mier in een grote kolonie kan dezelfde regel gebruiken -- genre "Ik verwacht elke 3 seconden een andere foeragemier te ontmoeten". Maar in een kleine kolonie zal ze minder foeragemieren ontmoeten, omdat er daar gewoon minder andere foeragemieren zijn om te ontmoeten. Dit is het soort regel dat, naarmate de kolonie zich ontwikkelt en ouder en groter wordt, tot verschillen in gedrag tussen oude en kleine jonge kolonies zal leiden.

Dankuwel.

(Applaus)