חכמת ההמונים של הנמלים

בקיצור

• מושבות נמלים פועלות ללא מנהיגים. הן מארגנות את הפעילות שלהן באמצעות אינטראקציות פשוטות המבוססות על ריח.
• מערכת האינטראקציות שבה משתמשת המושבה קשורה לאקולוגיה שלה.
• תובנות על התנהגות קולקטיבית של נמלים יכולות להאיר מערכות אחרות הפועלות ללא בקרה מרכזית.

בסרט שובר הקופות של קיץ 2015, אַנְטְמֶן, מתוארת חליפה המסוגלת לכווץ אדם לגודל של חרק. ממציא החליפה, המדען האנק פים, טוען בסרט שנמלים יכולות לבצע מעשי גבורה מדהימים, אבל הן צריכות מנהיגה שתגיד להן מה לעשות. פים עונד מאחורי אוזנו מכשיר קטן שמאפשר לו להורות לנמלים להתארגן לגדוד לוחמות שעוזר לגיבור העלילה, שהתכווץ לגודל נמלה, להביס גאון מרושע.

הרעיון שלנמלים יש מנהיגוֹת הקובעות את סדר היום שלהן ומתזמרות את פעילותן נראה לנו הגיוני בגלל ההיררכיה המצויה בארגונים אנושיים רבים, והיא מספקת הנחת מוצא נוחה לסרטים הוליוודיים שגיבוריהם הם בני אדם. יש רק קושי אחד: הרעיון שגוי. נמלים לעולם אינן צועדות בסך, תוך ציות אחיד לפקודה יחידה. בעולם האמיתי, נמלים יחידות פועלות פעמים רבות באופן אקראי ולכאורה כושל, ללא כל תחושה של מטרה משותפת. הפעולות האלה יחד מאפשרות למושבה למצוא ולאסוף מזון, לבנות קנים, ליצור שבילים וגשרים, להגן על הצמחים הפונדקאים שלהן מפני לוחכי עשב או לטפח גינות – והכול ללא פיקוח. נמלים אינן זקוקות למנהיגה, ושום נמלה אינה אומרת לרעותה מה לעשות.

מושבות נמלים אינן המערכות היחידות בטבע הפועלות ללא בקרה מרכזית. התנהגות קולקטיבית, ללא הוראות מגבוה, מתרחשת בכל מקום, ממעופה של להקת זרזירים בשמים, עד רשתות הנוירונים במוח המאפשרת לכם לקרוא את המשפט הזה, ועד מולקולות הפועלות עם גֶנים כדי לייצר חלבונים. כל התוצאות הרבות של התנהגות קולקטיבית מתקבלות באמצעות אינטראקציות פשוטות בין משתתפים יחידים, ואחת היא אם אלו נמלים, ציפורים, תאי עצב או מולקולות.

כשהייתי סטודנטית לדוקטורט והתחלתי לחקור מערכות הפועלות ללא בקרה מרכזית, חיפשתי מערכת שקל לצפות באינטראקציות המתרחשות בתוכה, ונמלים מצויות בכל מקום. יש יותר מ-14,000 מינים ביולוגיים של נמלים הפזורים בכל בית גידול יבשתי אפשרי על פני כדור הארץ. הן בונות קנים בקרקע, בענפים חלולים ובבלוטים, תחת אבנים ובעלים התלויים גבוה בצמרות העצים. התזונה שלהן מגוונת מאוד, מצוּף עד פטריות ועד חרקים אחרים. כל מיני הנמלים מראים התנהגות קולקטיבית, כך שהם מספקים הזדמנות מצוינת ללמוד אילו שינויים אבולוציוניים עברה ההתנהגות הזאת כדי לפתור את הבעיות האקולוגיות המגוונות שבהן נתקלות מושבות הנמלים.

המחקרים שערכתי על סוגים שונים של נמלים במגוון תנאים אקולוגיים, החל במדבר וכלה ביער טרופי, מראים שכל סוג משתמש באינטראקציות באופן שונה, למשל כדי להגביר רמת פעילות, להאט אותה או פשוט כדי להמשיך כרגיל. ממצאים אלו מרמזים על מתאם בין המצב האקולוגי ובין האופן שבו אינטראקציות פשוטות משפיעות על התנהגות קולקטיבית. ייתכן שכמה מסלולים אבולוציוניים שונים, במגוון מערכות הפועלות ללא בקרה מרכזית, יצרו אלגוריתמים דומים כדי לפתור אתגרים סביבתיים דומים.

אינטראקציות פשוטות

לכל מיני הנמלים יש כמה מאפיינים משותפים, ובכללם האופן שבו הן ממלאות את המטלות שלהן. נמלים חיות במושבות המורכבות מפועלות עקרות רבות (הנמלים שאנו רואים משוטטות בחוץ) ונקבה פורייה אחת או יותר שאינן יוצאות מן הקן. אף על פי שהנקבות הפוריות מכונות בשם מלכות, אין להן שום כוח פוליטי – כל שהן עושות הוא להטיל ביצים. אין למלכה, וגם לא לנמלים האחרות, שום יכולת להעריך מה צריך לעשות במצב מסוים או לחלק פקודות לאחרות.

לכל הנמלים יש חוש ריח מפותח ובאמצעות המחושים שלהן הן מסוגלות להבחין בין מאות כימיקלים שונים. הן גם מכוסות בציפוי שמנוני של פחממנים המגן עליהן מפני התייבשות. כשנמלה אחת נוגעת ברעותה באמצעות המחושים, היא אומדת את הריח הנישא בציפוי השמנוני הזה. מדענים יודעים שיש מינים שבהם ההרכב הכימי של הפחמימנים האלה, המכונים פחמימנים קוטיקולריים, משתנה בהתאם לתנאי הסביבה. נמלת קציר שמשוטטת בשמש המדברית החמה מקבלת ריח שונה מריחה של נמלה המבלה את מרבית זמנה בקן. כתוצאה מכך, ריח הנמלה משקף את המטלות שלה.

קרדיט: אלכס וויילד

מייקל גרין מאוניברסיטת קולורדו שבדנבר ואני ניסינו להבין כיצד נמלים יוצרות קשרים זו עם זו באמצעות המחושים שלהן. לשם כך, ערכנו ניסוי שבו ציפינו חרוזי זכוכית זעירים בתמציות של פחמימנים קוטיקולריים מנמלים שביצעו מטלות מסוימות, והנחנו אותם בקנים של נמלים. גילינו שכשנמלה אחת נוגעת ברעותה במחושיה, היא פשוט מקבלת הודעה שהיא פגשה נמלה עם ריח נתון ולא יותר. מתברר שקצב האינטראקציות הוא הגורם הקובע כיצד החרק מגיב. בניסויים שלנו הצלחנו לשנות את התנהגות המושבה על ידי שינוי התדירות שבה הנמלים נתקלות בחרוזי הזכוכית.

כיצד מארגנות מושבות הנמלים את עבודתן בעזרת אינטראקציות ריח פשוטות? במהלך 30 השנים האחרונות אני חוקרת נמלי קציר בדרום מערב ארה"ב. נראה שבמין הזה, הצורך לשמר מים היה הכוח המניע באבולוציה של התהליך המשתמש באינטראקציות כדי לווסת חיפוש אחר מזון. נמלת הקציר אוכלת זרעים של עשבים ושל צמחים חד־שנתיים, המספקים למושבה הן מזון והן מים. אבל המושבה חייבת לבזבז מים כדי להשיג מים. נמלים מלקטות מאבדות מים פשוט מפני שהן שוהות בחוץ ומחפשות זרעים. נמלה מלקטת אינה עוזבת אפוא את הקן לפני שהיו לה די מפגשים עם מלקטות השבות לקן עם מזון. מכיוון שכל נמלה מלקטת ממשיכה לחפש עד שהיא מוצאת מזון, המשוב שהיא מקבלת ממלקטות החוזרות לקן יוצר מתאם בין פעילות ליקוט ובין כמות המזון: ככל שיש יותר מזון, מתקצר זמן החיפוש: המלקטות חוזרות מהר יותר לקן ויותר מלקטות יוצאות מן הקן בחיפוש אחר מזון.

המחקר ארוך הטווח שערכתי על אוכלוסיית מושבות של נמלת הקציר אִפשר לנו להבין כיצד האבולוציה מעצבת את ההתנהגות הקולקטיבית שלהן. כדי להבין כיצד הברירה הטבעית פועלת כעת, היה עלינו לדעת אם האופן שבו המושבה מווסתת את פעילות ליקוט המזון שלה משפיעה על יכולתה לייצר מושבות בנות. הצעד הראשון היה לקבוע אילו מושבות הן הצאצאיות של אילו מושבות־אם. איש לא בדק זאת בעבר במושבות נמלים. אך מאז 1985 אני עוקבת אחר אוכלוסייה של כ-300 מושבות באתר בדרום מזרח אריזונה. כל שנה אני מאתרת את כל המושבות שהיו שם בשנה שקדמה לה, נפרדת מאלו שמתו וממפה את המושבות החדשות שנוסדו. נתונים ארוכי טווח אלו מראים שמושבה מתקיימת 25 עד 30 שנה. בכל שנה יש אסיפת הזדווגות שבה נפגשים הזכרים, שחיים זמן קצר רק עד ההזדווגות, עם מלכות שטרם הזדווגו מכל המושבות באוכלוסייה. לאחר ההזדווגות, הזכרים מתים, והמלכות שהזדווגו זה עתה מתעופפות ומייסדות מושבות חדשות. כל מלכה מטילה קבוצה חדשה של פועלות עקרות, ומרגע שהמושבה גדולה דיה, היא מטילה גם נקבות וזכרים פוריים. כך, מדי שנה, למשך שארית חייה, בעזרת הזרע מאותה פגישת הזדווגות מקורית. קריסטה אינגרם מאוניברסיטת קולגייט, אנה פּילקו מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו ואני הצלחנו לקשר בין מושבות־בת לבין מושבות האם שלהן בעזרת דנ"א שנאסף בכ-250 מושבות וללמוד כיצד פעילות ליקוט המזון קשורה לרבייה מוצלחת.

גילינו שמושבות שיש להן מושבות־בת נוטות להיות אלו שמשמרות מים על ידי הגבלת ליקוט המזון בימים חמים ויבשים, ומקריבות צריכת מזון לצורך שימור מים. תוצאה זו הפתיעה אותנו כי מחקרים רבים על בעלי חיים מניחים שככל שיש יותר מזון כן ייטב. אבל התברר שהמושבות שבמשך שנים ראיתי בהן מושבות בלתי אמינות וחלשלושות, משום שהן מיעטו ללקט מזון בימים חמים ויבשים, היו הסבתות־רבתות, ואילו המושבות הפעילות ביותר, שיצאו ללקט מדי יום, לא הצליחו להתרבות. מכיוון שמושבות יכולות לאגור זרעים לפרקי זמן ארוכים, אין מחיר הישרדותי להימנעות מליקוט מזון בימים מסוימים.

ברירה טבעית פועלת רק על תכונות שעוברות מהורים לצאצאים, ויש עדויות מסקרנות לתורשתיות של התנהגות קולקטיבית בנמלת הקציר: מושבות־בת דומות למושבות האם שלהן בבחירת הימים שבהם הן מפחיתות את פעילות הליקוט. כך, הממצאים שלנו סיפקו את ההדגמה הראשונה, למיטב ידיעתי, של אבולוציה עכשווית של התנהגות קולקטיבית באוכלוסיית בר של בעלי חיים.

פתרונות אקולוגיים

מינים שונים של נמלים מדגימים כיצד מערכת האינטראקציות שבה משתמש המין קשורה לאקולוגיה שלו. אני חוקרת גם נמלים גולשות (Cephalotes) החיות בעצים ביערות הטרופיים של מערב מקסיקו. באזורים הטרופיים האוויר לח מאוד, והמזון מצוי בשפע ולכן עלויות התפעול של ליקוט מזון נמוכות בהשוואה למדבר. לעומת זאת, התחרות באזורים האלה גדולה כי מיני נמלים רבים אחרים מנצלים את אותם המשאבים. גיליתי שמושבות של נמלים גולשות יוצרות בעצים מסלולי ליקוט שהנמלים סובבות לאורכם בקביעות ממקור מזון או מקן אחד למשנהו. שלא כמו נמלת הקציר, נמלים גולשות מלקטות ממשיכות לחפש מזון כל עוד אין אינטראקציה מסוימת הגורמת להן להאט או להפסיק. לדוגמה, אינטראקציות עם נמלים ממינים אחרים מעכבות פעילות. נמלה גולשת היוצאת מן הקן צפויה ללכת עוד ועוד לאורך המסלול, אלא אם היא פוגשת נמלה ממין אחר. די בנמלה אחת מן הסוג Pseudomyrmex, המפטרלת הלוך ושוב על ענף, מבהיקה ומעוצבת כמכונית מרוץ, כדי לחסום לגמרי ענף מסוים במסלולן של הנמלים הגולשות, שהן חסונות אך ביישניות יותר, אם היא נתקלת במספר גדול שלהן. המושבות עקביות כל כך בשמירה על זרימה שוטפת וחלקה של נמלים לאורך המסלול כשהשטח פנוי, ובהתחלת הזרימה מחדש כשהאיום נעלם, עד שייתכן שהדבר הקל ביותר הוא להימנע מעימותים.

אינטראקציות פשוטות בין נמלים יוצרות אפוא את רשת המסלולים של הנמלים הגולשות בצמחייה העבותה בצמרות היער. האינטראקציות האלה עושות את הרשת עמידה וגמישה כאחת. כל נמלה מסמנת את המסלול שלה תוך כדי הליכה בעזרת פרומון כימי, והיא עוקבת אחרי הריח שהותירו נמלים לפניה. סאקֶט נַאוולַחַה ממכון סאלק למחקרים ביולוגיים ואני מנסים להבין את האלגוריתם שבו משתמשות הנמלים כדי לשמר ולתקן את המסלולים שלהן. כשנמלה מגיעה לצומת בין ענף אחד למשנהו, היא נוטה ללכת במסלול שבו הלכו לאחרונה מרבית הנמלים. לעתים קרובות, גשר רעוע בין גבעול אחד למשנהו מתמוטט בגלל משב רוח, לטאה חולפת, ענף שנרקב או, לפעמים, התערבות ניסויית של המספריים שלי. הנמלים מתאוששות במהירות. נראה שכשהן מגיעות אל הקצה השבור הראשון, הן חוזרות לנקודת ההתפצלות הקודמת ומחפשות שביל פרומון משם, עד שהן יוצרות, ובסופו של דבר גוזמות שביל חדש שיתחבר עם הצד השני של המסלול.

התנהגות קולקטיבית של נמלים התפתחה בתגובה לאופן שבו מקורות מִחְיה, כמו מזון, פזורים בסביבה, וכן בתגובה לעלויות של ליקוט ולהתנהגות של מינים אחרים שבהם הנמלים פוגשות. יש משאבים המקובצים יחדיו במקום אחד ואחרים הפזורים באקראי. נמלים ממינים רבים מצטיינות בניצול משאבים מקובצים, כמו אתרי פיקניק. הן משתמשות באינטראקציות המבוססות על פרומונים הגורמות לנמלה אחת לעקוב אחרי השנייה וליצור מסלולי גיוס. גיוס הוא תהליך הגיוני כשהמשאבים מקובצים. ככלות הכול, במקום שבו יש כריכים, סביר להניח שיש גם עוגיות. מנגד, נמלים התרות אחר משאבים פזורים, כמו זרעים, אינן משתמשות במסלולי גיוס, כי מציאת זרע אחד אינה מבטיחה למצוא זרע נוסף בקרבת מקום.

גם כדי למצוא מזון מלכתחילה יש צורך בהתנהגות קולקטיבית. מכיוון שנמלים פועלות בעיקר בעזרת חוש הריח, נמלה צריכה להתקרב למזון כדי למצוא אותו. ככל שהמזון פזור על פני שטח רחב יותר, כן הנמלים צריכות לסרוק שטח גדול יותר. אבל ככל שהמזון חבוי במקומות שונים, הנמלים צריכות לסרוק את פני הקרקע ביתר יסודיות. גיליתי שהמין המכונה נמלה ארגנטינאית מתמודד עם הסתירה הזאת ביעילות רבה על ידי התאמת מסלולי החיפוש על פי צפיפות. כשיש כמה נמלים בשטח קטן, כל נמלה צועדת במסלול מפותל, המאפשר לה לסרוק את האזור ביסודיות. אבל כשיש כמה נמלים בשטח גדול, הן צועדות במסלולים ישרים, המאפשרים לקבוצה שלמה לסרוק שטח גדול יותר. פרטים יכולים לחוש את הצפיפות באמצעות אות פשוט: קצב האינטראקציות עם אחרים. ככל שיש יותר מגעים בין מחושים, כן מסלול ההליכה של הנמלים מפותל יותר. הנמלה הארגנטינאית פלשה לאזורי אקלים ים תיכוני ברחבי העולם. ייתכן שהיעילות שבה היא מגיעה ראשונה למקורות מזון חדשים מסבירה מדוע המין הפולשני הזה נוטה לנצח מינים מקומיים בכל מקום שאליו הוא פולש.

לך אל הנמלה, למד דרכיה וחכם

הדרכים שבהן נמלים משתמשות באינטראקציות פשוטות כדי לשגשג בסביבה נתונה יכולות לספק פתרונות לבעיות המתעוררות במערכות אחרות. מדען המחשב באלאג'י פרבקר מאוניברסיטת סטנפורד ואני שמנו לב שנמלי הקציר מווסתות את פעילות הליקוט באמצעות אלגוריתם הדומה לפרוטוקול TCP/IP המשמש לוויסות מעבר נתונים באינטרנט. כינינו את האנלוגיה "Anternet". הפרוטוקול הזה תוכנן במקור לסביבה עם עלויות תפעול גבוהות: בימים הראשונים של האינטרנט הרשת הייתה קטנה ולא הייתה בה יתירות רבה. לכן, היה חיוני להבטיח ששום חבילת מידע לא תאבד. בדיוק כפי שמלקטות לא יֵצאו לסיור אם אין להן די אינטראקציות עם מלקטות שחזרו עם מזון, כך חבילת מידע לא תעזוב את מחשב המקור אם לא תקבל אישור מן הנתב שלחבילה הקודמת היה די רוחב פס כדי להמשיך ולנוע לעבר היעד. יש להניח ש-130 מיליוני שנות אבולוציה של נמלים יצרו אלגוריתמים מועילים רבים אחרים שבני אדם טרם חשבו עליהם ושיוכלו לעזור לנו למצוא דרכים לארגן רשתות מידע בעזרת אינטראקציות פשוטות המשתמשות בכמות מידע מינימלית.

אני סבורה שנראה מתאם דומה בין אלגוריתם ובין מצב אקולוגי בסוגים רבים אחרים של התנהגות קולקטיבית. לדוגמה, סרטן מתפתח בתגובה לתנאים בסביבה המיקרוסקופית שלו. יש להניח שסוג סרטן שנוטה לשלוח גרורות לרקמה מסוג מסוים, עובר אבולוציה שתאפשר לו להשתמש במשאבים המרוכזים ברקמה זו דווקא. סוגי סרטן אלו, כמו מיני הנמלים שעברו אבולוציה להשתמש במשאבים המרוכזים במקומות מסוימים, עשויים להיות אלו שנוטים לשלוח תאים חזרה לגידול המקורי כדי לגייס תאים נוספים, כפי שנוהגים לעשות תאי סרטן השד. במקרה כזה, תאים המגייסים תאים אחרים אל משאבי מזון יהיו המטרה הטובה ביותר לפיתיון רעיל.

בביולוגיה ובהנדסה יש עניין רב באופן שבו התנהגות קולקטיבית מסתמכת על אינטראקציות פשוטות. יותר ויותר מתברר שאינטראקציות כאלה מגיבות לתנאים משתנים. ביולוגיה של מערכות, תחום שנבנה על גבי מאה שנות מחקר שהראו בפרוטרוט מה קורה בתוך התא, מפנה כעת את המוקד שלה לאינטראקציות בין תאים, ונעזרת בהתפתחויות המפליאות בתחום ההדמיה. במדעי העצב, שיטות חדשות מאפשרות לאתר תבניות בתזמון הפעילות החשמלית של אלפי תאי עצב. אנו בני האדם יכולים לראות סוגי תנועות מסוימים ולשמוע סוגי קולות מסוימים מפני שהמסלולים העצביים במוחנו התפתחו כדי להגיב באופן קולקטיבי לתכונות סביבתיות מסוימות כמו הקצב שבו נעים לרוב אובייקטים חשובים, כמו הורים או טורפים, ולטווח התדרים שחשוב לנו ביותר לשמוע. מערכות הנדסיות התפתחו גם הן. הגידול העצום בהיקף האינטרנט ובמספר המכשירים המחוברים אליה, וכן מהירות האינטראקציות, דורשים פתרונות חדשים, מבוזרים.

מדענים יכולים כעת לחפש מגמות באופן שבו מערכות טבעיות שונות פיתחו התנהגות קולקטיבית דומה כדי לעמוד בפני אתגרים אקולוגיים דומים. נוכל אולי ליישם את הידע הזה כדי להתערב בתהליכים הפועלים ללא בקרה מרכזית, ואולי גם לפתור בה בעת חלק מבעיות החברה האנושית.