حكمة حشود النمل

تعمل مستعمرات النمل دون سيطرة مركزية. إذا فهمنا كيف يفعلون ذلك، فقد نتمكن من فهم الأنظمة الأخرى التي تعمل بدون قادة، من الدماغ إلى الإنترنت / ديبورا م. جوردون 

• مستعمرات النمل تعمل بدون قادة. ينظمون نشاطهم من خلال تفاعلات بسيطة تعتمد على الرائحة.
• يرتبط نظام التفاعلات الذي تستخدمه المستعمرة ببيئتها.
• إن نظرة ثاقبة للسلوك الجماعي للنمل يمكن أن تسلط الضوء على الأنظمة الأخرى التي تعمل دون سيطرة مركزية.

تم نشر المقال بموافقة مجلة Scientific American Israel وشبكة Ort Israel

في الفيلم الذي حقق نجاحا كبيرا عام 2015، رجل النملتم وصف بدلة قادرة على تقليص حجم الشخص إلى حجم الحشرة. مخترع البدلة العالم هانك بيم، يدعي في الفيلم أن النمل يمكنه القيام بأعمال مذهلة، لكنهم بحاجة إلى قائد ليخبرهم بما يجب عليهم فعله. يرتدي بيم جهازًا صغيرًا خلف أذنه يتيح له أن يأمر النمل بتشكيل كتيبة محارب تساعد بطل الحبكة، الذي تقلص إلى حجم نملة، على هزيمة عبقري شرير.

إن فكرة أن النمل لديه قائدات يحددن أجندتهن وينسقن أنشطتهن تبدو منطقية بالنسبة لنا بسبب التسلسل الهرمي الموجود في العديد من المنظمات البشرية، كما أنها توفر فرضية مناسبة لأفلام هوليود التي أبطالها من البشر. هناك صعوبة واحدة فقط: الفكرة خاطئة. لا يسير النمل أبدًا في انسجام تام، في طاعة موحدة لأمر واحد. في العالم الحقيقي، غالبًا ما يتصرف أفراد النمل بشكل عشوائي وبلا جدوى، دون أي شعور بالهدف المشترك. تسمح هذه الإجراءات معًا للمستعمرة بالعثور على الطعام وجمعه، وبناء الأعشاش، وإنشاء المسارات والجسور، وحماية نباتاتها البديلة من مبيدات الأعشاب أو زراعة الحدائق - كل ذلك دون إشراف. النمل لا يحتاج إلى قائد، ولا توجد نملة تملي على رفيقتها ما يجب فعله.

مستعمرات النمل ليست الأنظمة الوحيدة في الطبيعة التي تعمل دون سيطرة مركزية. السلوك الجماعي، بدون تعليمات من الأعلى، يحدث في كل مكان، بدءًا من طيران سرب من الزرزور في السماء، إلى شبكات الخلايا العصبية في الدماغ التي تسمح لك بقراءة هذه الجملة، إلى الجزيئات التي تعمل مع الجينات لصنع البروتينات. يتم الحصول على جميع النتائج العديدة للسلوك الجماعي من خلال تفاعلات بسيطة بين المشاركين الأفراد، وأحد هذه النتائج هو ما إذا كانوا نملًا أو طيورًا أو خلايا عصبية أو جزيئات.

عندما كنت طالب دكتوراه وبدأت البحث عن الأنظمة التي تعمل دون تحكم مركزي، كنت أبحث عن نظام يسهل فيه ملاحظة التفاعلات التي تحدث داخله، والنمل موجود في كل مكان. هناك أكثر من 14,000 نوع بيولوجي من النمل منتشرة في كل الموائل الأرضية المحتملة على الأرض. يبنون أعشاشًا في الأرض، في الأغصان المجوفة والجوز، تحت الحجارة وأوراق الشجر المتدلية عالياً في رؤوس الأشجار. نظامهم الغذائي متنوع للغاية، من الأسماك إلى الفطر إلى الحشرات الأخرى. تُظهر جميع أنواع النمل سلوكًا جماعيًا، لذا فهي توفر فرصة ممتازة لدراسة التغيرات التطورية التي مر بها هذا السلوك لحل المشكلات البيئية المتنوعة التي تواجهها مستعمرات النمل.

الدراسات التي قمت بها على أنواع مختلفة من النمل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية، من الصحراء إلى الغابة الاستوائية، تبين أن كل نوع يستخدم التفاعلات بطريقة مختلفة، على سبيل المثال لزيادة مستوى النشاط، أو إبطائه أو ببساطة للاستمرار كما هو. معتاد. تشير هذه النتائج إلى وجود علاقة بين الحالة البيئية والطريقة التي تؤثر بها التفاعلات البسيطة على السلوك الجماعي. من الممكن أن العديد من المسارات التطورية المختلفة، في مجموعة متنوعة من الأنظمة التي تعمل دون تحكم مركزي، قد أنتجت خوارزميات مماثلة لحل التحديات البيئية المماثلة.

تفاعلات بسيطة

جميع أنواع النمل لها عدة خصائص مشتركة، بما في ذلك الطريقة التي تؤدي بها مهامها. يعيش النمل في مستعمرات تتكون من العديد من الشغالات العقيمة (النمل الذي نراه يتجول في الخارج) وواحدة أو أكثر من الإناث الخصبة التي لا تترك العش. على الرغم من أن الإناث الخصبة يشار إليها باسم الملوك، إلا أنه ليس لديها أي سلطة سياسية - كل ما تفعله هو وضع البيض. الملكة، ولا غيرها من النمل، ليس لديها أي قدرة على تقييم ما يجب القيام به في موقف معين أو إعطاء الأوامر للآخرين.

يتمتع جميع النمل بحاسة شم متطورة ويمكنهم من خلال مخالبهم التمييز بين مئات المواد الكيميائية المختلفة. كما أنها مغطاة بطبقة زيتية من الهيدروكربونات التي تحميها من الجفاف. عندما تلمس إحدى النملات فريستها بمخالبها، فإنها تقوم بتقييم الرائحة التي يحملها هذا الطلاء الزيتي. ويعرف العلماء أن هناك أنواعًا يختلف فيها التركيب الكيميائي لهذه الهيدروكربونات، والتي تسمى الهيدروكربونات الجلدية، باختلاف الظروف البيئية. رائحة النملة الحاصدة التي تتجول في شمس الصحراء الحارة تختلف عن رائحة النملة التي تقضي معظم وقتها في العش. ونتيجة لذلك، فإن رائحة النملة تعكس واجباتها.

مايكل جرين من جامعة كولورادو في دنفر وحاولت أن أفهم كيف يقوم النمل بالتواصل مع بعضهم البعض باستخدام مخالبهم. ولتحقيق هذه الغاية، أجرينا تجربة قمنا فيها بتغليف خرزات زجاجية صغيرة بمستخلصات من الهيدروكربونات الجلدية المأخوذة من النمل الذي يقوم بمهام معينة، ووضعناها في أعشاش النمل. لقد اكتشفنا أنه عندما تلمس إحدى النملات فريستها بمخالبها، فإنها ببساطة تتلقى رسالة مفادها أنها واجهت نملة ذات رائحة معينة وليس أكثر. وتبين أن معدل التفاعلات هو العامل الذي يحدد كيفية تفاعل الحشرة. في تجاربنا تمكنا من تغيير سلوك المستعمرة عن طريق تغيير التردد الذي يواجه به النمل الخرز الزجاجي.

كيف تنظم مستعمرات النمل عملها باستخدام تفاعلات الروائح البسيطة؟ خلال الثلاثين عامًا الماضية، قمت بالبحث في موانئ الحصاد في جنوب غرب الولايات المتحدة الأمريكية. في هذا النوع، يبدو أن الحاجة إلى الحفاظ على المياه كانت القوة الدافعة في تطور العملية التي تستخدم التفاعلات لتنظيم البحث عن الطعام. تأكل نملة الحصاد بذور الأعشاب والنباتات الحولية التي تزود المستعمرة بالغذاء والماء. لكن المستعمرة يجب أن تهدر المياه للحصول على الماء. يفقد النمل الباحث عن الطعام الماء لمجرد أنه يبحث في الخارج عن البذور. وبالتالي فإن النملة الباحثة عن الطعام لا تترك العش قبل أن تحصل على ما يكفي من اللقاءات مع الباحثين عن الطعام العائدين إلى العش مع الطعام. نظرًا لأن كل نملة جامع تواصل البحث حتى تجد الطعام، فإن ردود الفعل التي تتلقاها من الباحثين عن الطعام العائدين إلى العش تخلق ارتباطًا بين نشاط التجميع وكمية الطعام: كلما زاد عدد الطعام، كلما قصر وقت البحث: الباحثون عن الطعام العودة إلى العش بشكل أسرع ويغادر المزيد من الباحثين العش بحثًا عن الطعام.

أتاحت لنا الدراسة الطويلة الأمد التي أجريتها على مجموعة من مستعمرات النمل الحاصد أن نفهم كيف يشكل التطور سلوكهم الجماعي. لفهم كيفية عمل الانتقاء الطبيعي الآن، كنا بحاجة إلى معرفة ما إذا كانت الطريقة التي تنظم بها المستعمرة نشاطها في البحث عن الطعام تؤثر على قدرتها على إنتاج مستعمرات وليدة. كانت الخطوة الأولى هي تحديد أي المستعمرات هي نسل المستعمرات الأم. لم يختبر أحد هذا من قبل في مستعمرات النمل. لكن منذ عام 1985 كنت أراقب سكانًا يبلغ عددهم حوالي 300 مستعمرة في موقع بجنوب شرق أريزونا. أقوم كل عام بتحديد موقع جميع المستعمرات التي كانت موجودة في العام السابق، وأودع أولئك الذين ماتوا وأرسم خريطة للمستعمرات التي تم تأسيسها حديثًا. تظهر هذه البيانات طويلة المدى أن المستعمرة تستمر من 25 إلى 30 عامًا. يقام كل عام اجتماع تزاوج حيث يلتقي الذكور، الذين يعيشون لفترة قصيرة فقط حتى التزاوج، بالملكات غير المتزوجات من جميع المستعمرات في المجموعة. بعد التزاوج، يموت الذكور، وتطير الملكات المتزاوجة حديثًا بعيدًا وتؤسس مستعمرات جديدة. تضع كل ملكة مجموعة جديدة من الشغالات العقيمة، وبمجرد أن تصبح المستعمرة كبيرة بدرجة كافية، فإنها تضع أيضًا إناثًا وذكورًا يتمتعون بالخصوبة. وهكذا، كل عام، لبقية حياتها، بمساعدة الحيوانات المنوية من جلسة التزاوج الأصلية تلك. كريستا انجرام من جامعة كولجيت، آنا بيلكو تمكنت أنا ومن جامعة كاليفورنيا في سان دييجو من ربط المستعمرات الوليدة بالمستعمرات الأم بمساعدة الحمض النووي الذي تم جمعه من حوالي 250 مستعمرة ومعرفة كيفية ارتباط نشاط جمع الطعام بالتكاثر الناجح.

لقد وجدنا أن المستعمرات التي لديها مستعمرات وليدة تميل إلى أن تكون هي التي تحافظ على المياه عن طريق الحد من جمع الغذاء في الأيام الحارة والجافة، والتضحية باستهلاك الغذاء للحفاظ على المياه. لقد فاجأتنا هذه النتيجة لأن العديد من الدراسات التي أجريت على الحيوانات تفترض أنه كلما زاد الطعام، كان ذلك أفضل. لكن اتضح أن المستعمرات التي كنت أراها لسنوات مستعمرات ضعيفة وغير موثوقة، لأنها نادرا ما تجمع الطعام في الأيام الحارة والجافة، كانت الجدات العظماء، في حين فشلت المستعمرات الأكثر نشاطا، والتي خرجت للتجمع كل يوم، لإعادة إنتاج. نظرًا لأن المستعمرات يمكنها تخزين البذور لفترات طويلة من الزمن، فلا توجد تكلفة للبقاء على قيد الحياة لتجنب البحث عن الطعام في أيام معينة.

يعمل الانتقاء الطبيعي فقط على السمات التي تنتقل من الآباء إلى الأبناء، وهناك أدلة مثيرة للاهتمام على وراثة السلوك الجماعي في النمل الحاصد: المستعمرات الوليدة تشبه المستعمرات الأم في اختيار الأيام التي تقلل فيها نشاط التجميع. وهكذا، قدمت النتائج التي توصلنا إليها أول دليل، على حد علمي، على التطور المعاصر للسلوك الجماعي في مجتمع الحيوانات البرية.

الحلول البيئية

توضح الأنواع المختلفة من النمل كيف يرتبط نظام التفاعلات الذي يستخدمه النوع ببيئته. أنا أيضًا أدرس النمل المزلق (السيفالوتس) الحيوانات الموجودة في الأشجار في الغابات الاستوائية بغرب المكسيك. وفي المناطق الاستوائية، يكون الهواء رطبًا جدًا، والغذاء وفيرًا، لذا فإن تكاليف تشغيل جمع الغذاء منخفضة مقارنة بالصحراء. ومن ناحية أخرى، فإن المنافسة في هذه المجالات كبيرة لأن العديد من أنواع النمل الأخرى تستخدم نفس الموارد. لقد اكتشفت أن مستعمرات النمل المنزلق تخلق مسارات تجميع في الأشجار ينتقل النمل عبرها بانتظام من مصدر غذائي أو عش إلى آخر. على عكس النمل الحاصد، يستمر النمل الشراعية في البحث عن الطعام طالما لا يوجد تفاعل معين يؤدي إلى إبطاء سرعته أو توقفه. على سبيل المثال، التفاعلات مع النمل من الأنواع الأخرى تمنع النشاط. من المتوقع أن تذهب النملة المنزلقة التي تغادر العش إلى أبعد وأبعد على طول المسار، ما لم تلتقي بنملة من نوع آخر. نملة واحدة من هذا النوع تكفي الكاذبة، التي تقوم بدوريات ذهابًا وإيابًا على فرع، تومض ومصممة مثل سيارة السباق، لتحجب فرعًا معينًا تمامًا في طريق النمل المزلق، الذي يكون قويًا ولكنه أكثر خجلًا، إذا واجه عددًا كبيرًا منهم. المستعمرات متسقة جدًا في الحفاظ على التدفق السلس للنمل على طول الطريق عندما تكون المنطقة خالية، واستئناف التدفق عند زوال التهديد، بحيث قد يكون من الأسهل تجنب المواجهات.

وبالتالي فإن التفاعلات البسيطة بين النمل تخلق شبكة من مسارات النمل التي تنزلق عبر النباتات الكثيفة في قمم الغابات. هذه التفاعلات تجعل الشبكة متينة ومرنة. تحدد كل نملة طريقها أثناء سيرها بمساعدة فرمون كيميائي، وتتبع الرائحة التي يتركها النمل أمامها. ساكيت نولاها من معهد سالك للدراسات البيولوجية وأنا أحاول فهم الخوارزمية التي يستخدمها النمل لصيانة وإصلاح مساراته. عندما تصل النملة إلى تقاطع بين فرع وآخر، فإنها تميل إلى اتباع المسار الذي سلكه معظم النمل مؤخرًا. في كثير من الأحيان، ينهار جسر متهالك بين جذع وآخر بسبب هبوب رياح، أو مرور سحلية، أو فرع متعفن، أو في بعض الأحيان، بسبب التدخل التجريبي للمقص. النمل يتعافى بسرعة. ويبدو أنهم عندما يصلون إلى النهاية المكسورة الأولى، يعودون إلى نقطة التشعب السابقة ويبحثون عن مسار فرمون من هناك، حتى ينشئوا ويقطعون في النهاية مسارًا جديدًا يتصل بالجانب الآخر من المسار.

لقد تطور السلوك الجماعي للنمل استجابة للطريقة التي يتم بها توزيع الموارد، مثل الغذاء، في البيئة، وكذلك استجابة لتكاليف التجميع وسلوك الأنواع الأخرى التي يواجهها النمل. هناك موارد مجمعة معًا في مكان واحد وأخرى متناثرة بشكل عشوائي. يتفوق النمل من العديد من الأنواع في استغلال الموارد المجمعة، مثل مواقع النزهة. يستخدمون التفاعلات القائمة على الفيرومونات التي تجعل إحدى النمل تتبع الأخرى وتخلق طرق تجنيد. التوظيف هو عملية منطقية عندما يتم تجميع الموارد. بعد كل شيء، حيثما توجد شطائر، من المحتمل أن تكون هناك ملفات تعريف الارتباط أيضًا. ومن ناحية أخرى، فإن النمل الذي يبحث عن الموارد المتناثرة، مثل البذور، لا يستخدم طرق التجنيد، لأن العثور على بذرة واحدة لا يضمن العثور على بذرة أخرى قريبة.

وحتى العثور على الطعام في المقام الأول، فإن السلوك الجماعي ضروري. وبما أن النمل يعمل بشكل أساسي بمساعدة حاسة الشم، فيجب على النملة أن تقترب من الطعام للعثور عليه. عندما ينتشر الطعام على مساحة أوسع، يتعين على النمل مسح مساحة أكبر. ولكن نظرًا لاختباء الطعام في أماكن مختلفة، يتعين على النمل مسح سطح الأرض بشكل أكثر دقة. اكتشفت أن الأنواع المعروفة باسم النملة الأرجنتينية ويتعامل مع هذا التناقض بفعالية كبيرة من خلال ضبط مسارات البحث حسب الكثافة. عندما يكون هناك العديد من النمل في منطقة صغيرة، تتبع كل نملة مسارًا متعرجًا، مما يسمح لها بمسح المنطقة بدقة. ولكن عندما يكون هناك العديد من النمل في منطقة كبيرة، فإنهم يسيرون في مسارات مستقيمة، مما يسمح لمجموعة كاملة بمسح مساحة أكبر. يمكن للأفراد الشعور بالازدحام من خلال إشارة بسيطة: وتيرة التفاعل مع الآخرين. كلما زاد عدد الاتصالات بين مخالب النمل، أصبح مسار مشي النمل أكثر تعقيدًا. النملة الأرجنتينية غزو إلى المناطق المناخية المتوسطية حول العالم. إن الكفاءة التي تصل بها لأول مرة إلى مصادر غذائية جديدة قد تفسر سبب ميل هذه الأنواع الغازية إلى التغلب على الأنواع المحلية أينما تغزو.

اذهب إلى النملة فتعلم طرقها وكن حكيما

إن الطرق التي يستخدم بها النمل تفاعلات بسيطة ليزدهر في بيئة معينة يمكن أن توفر حلولاً للمشاكل التي تنشأ في الأنظمة الأخرى. عالم الكمبيوتر بالاجي برابكار لقد لاحظت أنا وجامعة ستانفورد أن منافذ الحصاد تنظم نشاط الحصاد باستخدام خوارزمية مشابهة لبروتوكول TCP/IP المستخدم لتنظيم حركة البيانات على الإنترنت. أطلقنا على هذا القياس اسم "الإنترنت". تم تصميم هذا البروتوكول في الأصل لبيئة ذات تكاليف تشغيل عالية: في الأيام الأولى للإنترنت، كانت الشبكة صغيرة ولم يكن بها الكثير من التكرار. ولذلك، كان من الضروري التأكد من عدم فقدان أي حزمة من المعلومات. مثلما لن يذهب المنتقيون في جولة إذا لم يكن لديهم تفاعلات كافية مع المنتقيين الذين عادوا مع الطعام، فلن تترك حزمة المعلومات الكمبيوتر المصدر إذا لم تحصل على تأكيد من جهاز التوجيه بأن الجهاز السابق تحتوي الحزمة على نطاق ترددي كافٍ لمواصلة التحرك نحو الوجهة. من المفترض أن 130 مليون سنة من تطور النمل قد أنتجت العديد من الخوارزميات المفيدة الأخرى التي لم يفكر فيها البشر بعد والتي يمكن أن تساعدنا في إيجاد طرق لتنظيم شبكات المعلومات بتفاعلات بسيطة تستخدم الحد الأدنى من المعلومات.

أعتقد أننا سنرى علاقة مماثلة بين الخوارزمية والوضع البيئي في العديد من أنواع السلوك الجماعي الأخرى. على سبيل المثال، يتطور السرطان استجابة للظروف الموجودة في بيئته المجهرية. يجب الافتراض أن نوع السرطان الذي يميل إلى إرسال النقائل إلى نوع معين من الأنسجة يخضع لتطور يسمح له باستخدام الموارد المركزة في هذا النسيج المعين. قد تكون هذه السرطانات، مثل أنواع النمل التي تطورت لاستخدام الموارد المركزة في أماكن معينة، هي التي تميل إلى إرسال الخلايا مرة أخرى إلى الورم الأصلي لتجنيد المزيد من الخلايا، كما تفعل خلايا سرطان الثدي. وفي مثل هذه الحالة، فإن الخلايا التي تقوم بتجنيد خلايا أخرى للموارد الغذائية ستكون أفضل هدف للطعم السام.

في علم الأحياء والهندسة هناك اهتمام كبير بكيفية اعتماد السلوك الجماعي على التفاعلات البسيطة. لقد أصبح من الواضح بشكل متزايد أن مثل هذه التفاعلات تستجيب للظروف المتغيرة. إن بيولوجيا الأنظمة، وهو مجال مبني على مائة عام من الأبحاث التي أظهرت بالتفصيل ما يحدث داخل الخلية، تحول الآن تركيزها إلى التفاعلات بين الخلايا، وتساعده التطورات المذهلة في مجال التصوير. في علم الأعصاب، تتيح الأساليب الجديدة تحديد أنماط توقيت النشاط الكهربائي لآلاف الخلايا العصبية. يمكننا نحن البشر رؤية أنواع معينة من الحركات وسماع أنواع معينة من الأصوات لأن المسارات العصبية في أدمغتنا تطورت لتستجيب بشكل جماعي لميزات بيئية معينة مثل المعدل الذي تتحرك به الأشياء المهمة، مثل الآباء أو الحيوانات المفترسة، وسرعة الحركة. نطاق التردد الذي هو الأكثر أهمية بالنسبة لنا أن نسمع. كما تطورت الأنظمة الهندسية. إن الزيادة الهائلة في نطاق الإنترنت وعدد الأجهزة المتصلة بها، فضلاً عن سرعة التفاعلات، تتطلب حلولاً جديدة وموزعة.

يمكن للعلماء الآن البحث عن اتجاهات حول كيفية تطور الأنظمة الطبيعية المختلفة لسلوك جماعي مماثل لمواجهة تحديات بيئية مماثلة. وقد نتمكن من تطبيق هذه المعرفة للتدخل في العمليات التي تجري دون سيطرة مركزية، وربما أيضًا حل بعض مشكلات المجتمع البشري في نفس الوقت.