דרכים חדשות לשיתוף פעולה

כל מי שהשתתף פעם במסע אלונקות צבאי, יודע כמה קשה לארבעה בני אדם לשאת יחד את משקלו של אדם אחד נוסף. נמלים, לעומת זאת, מסוגלות לשאת בקבוצה משקל גדול פי 12 אלף ממשקל גופה של נמלה יחידה. אפשר להקביל את זה לחבורה של אנשים הנושאים בידיהם בלבד לא אדם אחד, אלא ספינת מלחמה שמשקלה מאות טונות.

אמנם לבני אדם אין הכוח הפיזי הדרוש לסחיבת משאות כאלה, אך יש להם (לפחות לרובם) את הכישורים האינטלקטואליים הדרושים לשיתוף פעולה בביצוע פעולה זו. אף על פי שלכאורה זו יכולת שימושית, מתברר שהיא נדירה מאוד בטבע. למעשה, חוץ מנמלים ומבני אדם אין מין של בעל חיים שבו פרטים משתפים פעולה בנשיאת משאות כבדים. למעשה, גם בקרב הנמלים זו תופעה נדירה מאוד, והיא נצפתה רק באחדים מתוך כ-13 אלף מיני נמלים המוכרים למדע.

נמלים מצטיינות באיתור מקורות מזון ובסימון כימי של הדרך היעילה אליהם, כדי שעוד מאחיותיהן יוכלו להצטרף להביא מזון אל הקן. התוצאה המרהיבה היא שבילים כבושים ומסומנים היטב, שעליהן צועדות אלפי נמלים ביעילות מעוררת השתאות בדרכן אל מקור המזון או בחזרה לקן עם פיסות מזון בין לסתותיהן החזקות.

כשנמלה מוצאת מזון שהיא אינה יכולה לסחוב בכוחות עצמה, היא מפרישה סימון כימי הקורא לנמלים נוספות. לא ברור בינתיים מתי וכיצד יודעות הנמלים שהכוח שגויס גדול דיו למשימה, אבל בשלב מסוים הן מרימות את העצם שמצאו ומתחילות לשאת אותו לכיוון הקן. תצפיותיו של ד"ר אהוד פוניו, מדען סגל במעבדה של פרופ' עופר פיינרמן במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, הניבו תמונה מפתיעה: הנמלים הנושאות מטען יחד אינן צועדות על השביל עצמו, אלא סוטות ממנו לנתיב אחר. הן מתקדמות באופן כללי לכיוון הקן אך לא בנתיב הקצר ביותר, ומדי פעם הן עוצרות ומתקנות את הכיוון.

השאלה מדוע הן עושות זאת סקרנה מאוד את פוניו ואת עמיתיו: "התנהגות של נמלים היא מערכת מורכבת משום שפרטים רבים משתפים פעולה ומשיגים תוצאה קבוצתית טובה, גם אם הפרטים עצמם אינם נבונים במיוחד", מסביר פוניו. "כשמפתחים מודל מתמטי למערכת מורכבת אחת מגלים לעתים שהוא תקף גם במערכות נוספות – לפעמים בלתי צפויות, כמו זרימת חלקיקים או התארגנות גלקסיות – וגם שהוא יכול להיות יישומי במערכות שונות, כמו פעילות של רובוטים".

דרכים עקלקלות

כדי לנסות להבין מדוע הנמלים הסוחבות יחד סוטות מהשביל בחנו פוניו, פיינרמן ועמיתיהם את התנהגותן של נמלים מהמין "אצנית ארוכת מחוש", המכונות גם "הנמלים המשוגעות" בשל העובדה שהן תזזיתיות מאוד (Longhorn crazy ants או בשמן המדעי Paratrechina longicornis). הם השתמשו בגלגל סיליקון בעל זיזים כדי שלנמלים יהיה נוח לאחוז בו ולשאתו, והשרו אותו במזון חתולים כדי שהנמלים יחשבו שמדובר במזון איכותי במיוחד. את הגלגל הניחו כמה מטרים מפתחו של קן הנמלים, צילמו בווידאו את נשיאתו, עקבו אחר הפעילות של כל נמלה וניתחו מתמטית את פעילותה של הקבוצה.

באחד ממחקריהם הקודמים גילו החוקרים שאין נמלה מסוימת המנהיגה את הקבוצה הנושאת. ליתר דיוק, כל נמלה מנהיגה את הקבוצה פרק זמן קצר מאוד, 15-10 שניות, ואז חוזרת להיות כאחת העם ומצטרפת אל אחיותיה בעבודת הסחיבה. אך במאמר בכתב העת eLife, גילה צוות החוקרים בהובלת פיינרמן, פוניו ופרופ' עמוס קורמן מאוניברסיטת פריז-דידרו, שבשונה משביל הנמלים הרגיל שהנמלים מסמנות לכל אורכו, בעת נשיאה משותפת מסמנות את דרכה של הקבוצה רק נמלים שאינן משתתפות בנשיאה ברגע נתון. כל נמלה מסמלת מקטע קצר, מהחפץ הנישא לכיוון המשוער של הקן.

במצב רגיל יש הסכמה טובה בין הנמלים בדבר הכיוון הנכון, אבל אם יש מכשול בדרך מתגלעים ביניהן חילוקי דעות והן מסמנות כיוונים שונים. במקרה כזה, הקבוצה צריכה להחליט לפי איזה סימון להתקדם. התוצאה, גילו החוקרים, היא הסתברותית: לפעמים הקבוצה מתקדמת לפי הסימון הנכון ביותר, כלומר זה שאכן מוביל בדיוק הרב ביותר לכיוון הקן, ופעמים אחרות הן בוחרות כיוון נכון פחות. בסרטון אפשר לראות כיצד החפץ הכבד (המסומן כטבעת צהובה) נישא לאורך השביל הנוצר מסימוני הריח של הנמלים, המסומנים בעיגולים סגולים.

כך מובילים מטען חורג. הטבעת הצהובה מסמלת את המשא הקבוצתי, העיגולים הסגולים את סימוני הריח | סרטון באדיבות ד"ר אהוד פוניו

במאמר נוסף, בכתב העת PNAS, שפרסמו החוקרים בשיתוף עם פרופ' ניר גוב מהמחלקה לפיזיקה כימית במכון ויצמן, הם מנתחים לעומק את התנועה של החפץ הנישא עצמו. לעתים חלק מהנמלים בקבוצה מושכות בכיוון הקן, בעוד שאחרות מושכות בכיוון אחר – במקרים רבים בניצב לכיוון ה"נכון". כשקבוצה אחת גוברת על רעותה העצם מתקדם בכיוון הקן, וכשהאחרת גוברת הוא מתקדם בניצב לכיוון הזה (כלומר ימינה או שמאלה, אם כיוון הקן הוא "קדימה").

התנהגות זו יוצרת סטיות בכיוון ההתקדמות הכללי של הקבוצה הנושאת את משאה במשותף. ממצאים אלה עולים בקנה אחד עם הממצאים הנוגעים לכיוונים השונים של שבילי הריח, וגם עם ההתחלפות התדירה של הנמלה המנהיגה את ההובלה המשותפת. התוצאה הסופית היא שהחפץ הגדול מגיע ליעדו, אבל בתום מסע רווי תנודות וסטיות מהדרך הקצרה ביותר, בתבנית שנראית אקראית במידה רבה.

הדרך עקלקלה ורוויית סטיות, אבל בסופו של דבר היא יעילה. אצניות ארוכות מחוש סוחבות מזון | צילומים: ד"ר אהוד פוניו

מעבר מכשולים

שקלול הממצאים שפורסמו בשני המאמרים הוביל את החוקרים למסקנה שהתנהגות זו, הנראית על פניה משונה למדי, היא שמאפשרת לנמלים להביא את המשא ביעילות ליעדו. "במעבדה הנמלים נושאות את משאן בשטח 'סטרילי', בלי מכשולים מיוחדים. בשטח, לעומת זאת, יכולים להיות מכשולים וקשיים רבים הנובעים מצורת הקרקע, ובעיקר מקומות שבהם נמלה יחידה יכולה לעבור בקלות עם משאה אבל הם אינם מאפשרים מעבר של קבוצת נמלים הנושאת עצם גדול", מסביר פוניו. "התנודות והסטיות מהשביל, והשיטה של החלפת הנמלה המנווטת בכל פעם, נותנות לקבוצה גמישות בקביעת מסלולה, המאפשרת לה לעקוף בסופו של דבר מכשולים כאלה".

החוקרים העריכו שהממד האקראי בתנועת הקבוצה והעובדה שהיא מועדת לשינויי כיוון מהירים הם שמאפשרים לה למצוא במהירות רבה יחסית את הדרך לקן, גם אם יש מכשולים שצריך לעקוף. ואכן, כשהציבו בדרכן של הנמלים קיר שבו פתח צר, המאפשר מעבר של נמלה אחת או שתיים, שביל הנמלים עבר דרכו. כשקבוצת הנמלים הגיעה עם משאה לאזור הקיר, היא אכן הצליחה למצוא מהר יחסית את הדרך לעבור סביבו בזכות הנמלים הבודדות שהובילו לכיוון אחר מהכיוון המדויק של הקן.

קוגניציה קבוצתית

רוב מיני בעלים החיים אינם בוחרים באפשרות של סחיבה משותפת. נמלים מרוב המינים, למשל, ישתמשו בלסתותיהן החזקות כדי לפרק את פיסת המזון הגדולה לנתחים שנמלים בודדות יכולות לשאת אל הקן. מדוע, אם כן, בחרו האצניות באסטרטגיה המורכבת יותר של סחיבת המזון הגדול בשלמותו אל הקן? (אם בכלל יצליחו להכניס אותו). "על כך אין לנו תשובה עדיין", מודה פוניו. "נראה שהיתרון הגדול של הנמלים האצניות משתקף בשמן. הן מהירות מאוד, ובדרך כלל מגיעות ראשונות אל מקור מזון. מצד שני, הן לא ממש לוחמניות ויכולתן להגן על המזון הזה מוגבלת מאוד, לכן הן פיתחו דרכים יעילות להסתלק עמו מהשטח כמה שיותר מהר. לפעמים זה עובד ולפעמים לא, והן נאלצות לוותר על המזון שלהן לטורף חזק יותר".

פיצוח האלגוריתם המתמטי המאפשר לנמלים לסחוב יחד משאות גדולים מאוד יחסית לגודלן יכול להיות שימושי מאוד בפתרון בעיות שאינן קשורות לנמלים כלל. "מימוש האלגוריתם הזה מביא להיווצרות שביל נמלים מסוג חדש שלא תואר במאות שנות התבוננות בשבילי הנמלים המוכרים לכולנו. במקרה זה הנמלים סוללות את דרכן, מקטע אחר מקטע, תוך כדי תנועה כך שאין אף נמלה שיש לה ידע מלא על המסלול שיעבור החפץ שהן נושאות", אומר פוניו. "אנחנו מאמינים שהאלגוריתם שמצאנו בהשראת הנמלים יכול לספק פתרון יעיל לבעיות דומות במערכות מורכבות אחרות".

למשל, לפני שנשלח בני אדם למאדים נוכל להעביר לשם רובוטים דמויי נמלים, או לפחות בעלי מערכת הפעלה דומה, שיגיעו לשם לפני החלליות המאוישות, ישתפו פעולה ביניהן ויקימו את מתחם המגורים שימתין לאסטרונאוטים בעזרת הידע שהפיקו פוניו ועמיתיו על האלגוריתמים שפיתחו הנמלים במשך מיליוני שנות אבולוציה. רובוטים כאלה עשויים להיות שימושיים מאוד גם על כדור הארץ, למשל בפינוי הריסות אחרי אסון, במיוחד באזורים החשופים לחומרים רעילים או לקרינה: "הנמלים הן מערכת מבוזרת, חסרת מנהיג, שבה כל פרט יכול לאסוף מידע על הסביבה, גם אם יכולת העיבוד שלו מוגבלת", מסביר פוניו. "בקבוצות גדולות יש להן רמות קוגניציה שמתעלות בהרבה על אלה של הפרט הבודד, ואפשר לנצל את היכולת הזו גם לתועלת האדם".

בסוף, גם המדע הוא עבודה של סחיבה משותפת. אצניות ארוכות מחוש בפעולה | סרטון באדיבות ד"ר אהוד פוניו

למחקרים נוספים ממעבדתו של פרופ' פיינרמן:
אני אנווט
הרשת החברתית
דרך הנמלים אל הקן
רכיבים חשמליים מתאי עצב