الشبكة الاجتماعية

يمكن استخدام أنماط التواصل لدى النمل كنموذج لمبادئ تشغيل الأنظمة البيولوجية المعقدة، وأنظمة معالجة المعلومات

والنمل الذي سكن الأرض منذ 100 مليون سنة، هو أحد الأمثلة الرائعة للتعاون البيولوجي من ذلك النوع الذي قصده داروين عندما قال: "الأفراد الذين تعلموا الارتجال والتعاون، تمكنوا من البقاء على قيد الحياة". تشارك الآلاف من إناث النمل في نشاط منسق ومشترك، بهدف تلبية كافة الاحتياجات المطلوبة للحياة الطبيعية للمستعمرة بأكملها (في المقابل، لا يشارك ذكور النمل في الجهد. فدورهم كله هو التزاوج). مع الملكة، وبعد أن يقوموا بهذه المهمة يموتون). يخرج بعض النمل لإحضار الطعام، بينما يبقى البعض الآخر لرعاية النسل وبناء العش والقيام بأعمال "الصيانة" وحماية المستعمرة، بل إن هناك نملًا وظيفته دفن الموتى. الحقيقة التي تستحق الذكر بشكل خاص هي أن هذا النشاط المشترك يتم بدون قائد - في المستعمرة لا يوجد "رئيس" أو "هيئة حاكمة" تنظم المهام العديدة. وبدون الآليات الحكومية، ستخرج معظم الشركات من التوازن وتنقرض. فكيف يتمكن النمل إذن من التعاون وتقسيم العمل بهذه الطريقة الناجحة و"المراعية"؟

في مختبره الجديد في قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم، يأمل الدكتور عوفر فاينرمان وأعضاء مجموعته البحثية في الكشف عن بعض أسرار النمل من خلال جهد مشترك ومنسق خاص بهم، على أساس على أساليب البحث عن العملاء من مجالات مثل نظرية المعلومات والإحصاء والفيزياء النظرية وعلوم الكمبيوتر وبيولوجيا الأنظمة وعلم الأعصاب وبالطبع علم الأحياء. "يعتمد علم الأحياء على أنظمة معقدة، مبنية من مكونات فردية - بروتينات أو خلايا أو كائنات حية. يتم تنظيم المخلوقات نفسها في شبكات تنسق نشاطها. ولكن في حين أن علم الأحياء قادر على تحديد وتوصيف المكونات الفردية، فإن العلاقات المتبادلة بينها معقدة للغاية، وتحليل هذه البيانات بالطرق البيولوجية أمر مستحيل. يقول الدكتور فاينرمان: «من خلال «استعارة» الأدوات من مجال الفيزياء والرياضيات، يمكن إدخال القياسات الكمية إلى الصورة، ومن خلالها يتم تحديد القوانين التي تحكم السلوك الجماعي المعقد الذي يميز الشبكة البيولوجية».

التحدث مع النمل

"يتحدث" النمل مع بعضهم البعض بشكل رئيسي بلغة المواد الكيميائية. لذلك، على سبيل المثال، عندما تجد نملة مصدرًا غنيًا للغذاء، فإنها تترك وراءها أثرًا من الفيرومونات، التي تحدد الطريق للنمل الآخر. لكن الدكتور فاينرمان يريد أن يفهم بشكل أعمق الشبكات الاجتماعية التي تتشكل بين النمل أثناء نقل هذا النوع من المعلومات.
في منشأة تذكرنا بمنزل الأخ الأكبر، وضع الدكتور فاينرمان عددًا من النمل. ويرتبط الهيكل الاصطناعي الذي يشبه العش بكاميرات، مما يسمح للعلماء بالتنصت على "المحادثات" بين النمل. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تشفير كل نملة على حدة، يتمكن العلماء من تتبع وتسجيل أنشطة كل نملة. هذه هي الطريقة التي يأملون بها للإجابة على أسئلة مثل: من يتحدث إلى من؟ هل هناك فئات اجتماعية مختلفة، أم أن جميع النمل يتواصلون مع بعضهم البعض، دون "تمييز"؟ هل يتم نقل الرسائل عند بقاء النمل في مكانه - شبيهة بلعبة "الهاتف المكسور"، أم هي "خدمة البريد السريع"، حيث ينقل النمل الرسائل عبر مسافات طويلة؟

د. فاينرمان: "يستخدم النمل استراتيجيات تواصل متنوعة تتراوح من طرف إلى آخر، اعتمادًا على البيئة والسياق. أحد الأمثلة على ذلك هو طريقة "كيس الدقيق"، حيث تركب نملة على ظهر نملة أخرى. هذه الطريقة بطيئة، لكنها موثوقة ومباشرة، ويمكن أن تخدمهم في مواقف مختلفة، مثل التأكد من وصول نملة معينة إلى مصدر الغذاء بالضبط، دون التعرض لخطر ضياع طريقها. تتطلب المواقف الأخرى أساليب اتصال أقل تركيزًا ولكنها أسرع. على سبيل المثال، إذا تعرضت المستعمرة للهجوم، يطلق النمل الفيرومونات المنتشرة في الهواء. وهذا بمثابة نظام إنذار، والذي يحذر بسرعة المستعمرات المجاورة."

الهدف من الدراسة ليس فقط الكشف عن المبادئ المعقدة لتشغيل مستعمرة النمل. وعلى المدى الطويل، يأمل العلماء في استخدام مبادئ هذا النظام التعاوني الرائع لتطوير نظرية لمعالجة المعلومات الجماعية. والهدف الآخر هو تطوير أدوات من شأنها أن تساعد في الإجابة على الأسئلة الأساسية حول نشاط الأنظمة البيولوجية المعقدة الأخرى - مثل، على سبيل المثال، كيفية عمل خلايا الجهاز المناعي معًا لمحاربة العدوى. قد يكون لهذه النظرية أيضًا استخدامات في تصميم الأنظمة الموزعة، مثل هوائيات الاتصالات الخلوية، وشبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية، وحتى مجموعات من الروبوتات التي تلعب أدوار الإنقاذ والإنقاذ.

ملكة الصف

على رأس كل مستعمرة نمل توجد ملكة، لكنها لا تحكم أو تمارس أي نوع من السيطرة على النمل العامل. وظيفتها الوحيدة هي وضع البيض. بدون مسطرة كيف يقسم النمل العمل بينهم؟ هل هي منظمة هرمية حيث يكون لكل نملة دور محدد، أم أنهم جميعا متساوون؟

في دراساته السابقة، بحث الدكتور فاينرمان فيما إذا كانت خصائص معينة، مثل الخبرة السابقة والعمر ووزن الجسم والموقع في الفضاء، تحدد تقسيم الأدوار في العش. ولاختبار ذلك، قام بفحص كيفية استجابة النمل للمتطلبات المتزايدة لمهمة معينة. تم وضع النمل في عش اصطناعي، وقام العلماء بإجراء تغييرات على المهام عن طريق إيقاف الإمدادات الغذائية، أو إضافة يرقات جديدة بشكل غير متوقع - لاختبار أي النمل يحشد للتعامل مع الوضع الجديد.

وكشفت الدراسة أن أنحف النمل هي التي تهرب للبحث عن الطعام، وأيضا تلك التي تحشد لنقل النسل الجديد الذي "تم غرسه" في العش إلى المنطقة التي يتم فيها رعاية اليرقات، لكنها لا تأخذ جزء في رعاية اليرقات الجديدة بعد ذلك. في الواقع، يتم إسناد مهمة رعاية النسل بشكل عشوائي إلى النمل الذي تم جلبه إلى البيئة، بغض النظر عن عمر النملة أو خبرتها أو وزن جسمها.

"إن إرسال النمل النحيل للبحث عن الطعام قد يكون استراتيجية جيدة لبقاء المستعمرة على قيد الحياة، لأن خسارة النمل ستكون أقل تكلفة للمستعمرة بأكملها. يجذب هذا النمل عددًا أقل من الحيوانات المفترسة، وبفضل سهولة حركته، فهو أكثر كفاءة في تنفيذ المهمة. حقيقة أن مهمة رعاية النسل لا تعتمد على خصائص النملة تعني أن المرونة في تقسيم الواجبات، والتعاون العام، هي صفات أكثر أهمية لبقاء المستعمرة من، على سبيل المثال، الخبرة أو "خبرة في أداء مهمة معينة، لأنها تسمح بالاستجابة السريعة للظروف المتغيرة،" يقول الدكتور فاينرمان.

شخصي

ولد عوفر فينرمان في رحوفوت. حصل على درجة البكالوريوس في الفيزياء والرياضيات (1996) ودرجة الماجستير في الفيزياء (1999) من الجامعة العبرية. بصفته طالب دكتوراه في معهد وايزمان للعلوم، كان أول من أنشأ، بتوجيه من البروفيسور إليشا موسى، دائرة منطقية اصطناعية مصنوعة من الخلايا العصبية، وحصل على الدكتوراه عام 2006. ثم شرع في دراسات ما بعد الدكتوراه. بحث الدكتوراه في مركز سلون كيترينج لأبحاث السرطان في نيويورك، حيث يبحث في كيفية عمل الخلايا التائية التنظيمية للجهاز المناعي معًا لمحاربة العدوى. أمضى عامًا في دراسة النمل في جامعة روكفلر، وفي أكتوبر 2010 انضم إلى قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم. "العودة إلى المعهد كانت بمثابة الحلم بالنسبة لي. لقد أعطتني ليس فقط فرصة العودة إلى إسرائيل، بل أيضًا حرية المشاركة في البحث حول موضوع غير تقليدي ورائع".

عوفر فاينرمان متزوج من ميكا، فنان فسيفساء، ولديه ثلاثة أطفال: ماتان، تسعة أعوام، شاي، سبعة أعوام، ونومي، أربعة أعوام.