הרשת החברתית

דפוסי התקשורת של נמלים עשויים לשמש כמודל לעקרונות הפעולה של מערכות ביולוגיות מורכבות, ומערכות לעיבוד מידע

נמלים, המאכלסות את כדור-הארץ כבר 100 מיליון שנה, הן אחת הדוגמאות המופלאות לשיתוף פעולה ביולוגי מהסוג שאליו התכוון דארווין כשאמר: “פרטים שלמדו לאלתר ולשתף פעולה, הצליחו לשרוד”. אלפי נמלים נקבות לוקחות חלק בפעילות מתואמת ומשותפת, במטרה לענות על כל הצרכים הנדרשים לחייה התקינים של המושבה כולה (בניגוד לכך, הנמלים הזכרים אינם שותפים למאמץ. כל תפקידם הוא להזדווג עם המלכה, ולאחר שביצעו משימה זו – הם מתים). חלק מהנמלים יוצאות להביא מזון, בעוד אחרות נשארות כדי לטפל בצאצאים, לבנות את הקן, לבצע עבודות “תחזוקה”, ולהגן על המושבה, ויש אף נמלים שתפקידן לקבור את המתים. עובדה הראויה לציון מיוחד היא, שהפעילות המשותפת הזאת מתנהלת ללא מנהיג – במושבה אין שום “בוס” או “גוף שלטוני” שמארגן את המשימות הרבות. ללא מנגנונים שלטוניים, מרבית החברות ייצאו מאיזון וייכחדו. כיצד מצליחות איפוא הנמלים לשתף פעולה, ולחלק את העבודה בצורה כל כך מוצלחת ו”מתחשבת”?

במעבדתו החדשה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, מקווים ד”ר עופר פיינרמן וחברי קבוצת המחקר שלו לחשוף חלק מסודות הנמלים באמצעות מאמץ משותף ומתואם משל עצמם, המבוסס על שיטות מחקר הלקוחות מתחומים כמו תורת האינפורמציה, סטטיסטיקה ופיסיקה תיאורטית, מדעי המחשב, ביולוגיה של מערכות, מדעי המוח, וכמובן, ביולוגיה. “הביולוגיה מבוססת על מערכות מורכבות, אשר בנויות מרכיבים בודדים – חלבונים, תאים או יצורים חיים. היצורים עצמם מאורגנים ברשתות שמתאמות את הפעילות שלהם. אך בעוד מדע הביולוגיה מסוגל לזהות ולאפיין את המרכיבים הבודדים, יחסי הגומלין ביניהם הם מורכבים ביותר, וניתוח הנתונים האלה בשיטות ביולוגיות הוא בלתי-אפשרי. באמצעות ‘שאילת’ כלים מתחום הפיסיקה והמתמטיקה אפשר להכניס לתמונה מדידות כמותיות, ובאמצעותן להגדיר את החוקים השולטים בהתנהגות הקולקטיבית המורכבת המאפיינת רשת ביולוגית”, אומר ד”ר פיינרמן.

דבר אל הנמלים

נמלים “מדברות” זו עם זו בעיקר בשפת הכימיקלים. כך, לדוגמה, כאשר נמלה מוצאת מקור מזון עשיר, היא משאירה מאחוריה נתיב של פרומונים, אשר מסמנים לנמלים האחרות את הדרך. אבל ד”ר פיינרמן רוצה להבין יותר לעומק את הרשתות החברתיות שנוצרות בין הנמלים בזמן העברת מידע מסוג זה.
לתוך מתקן, המזכיר את בית האח הגדול, הכניס ד”ר פיינרמן מספר נמלים. המבנה המלאכותי דמוי הקן מרושת במצלמות, המאפשרות למדענים לצותת ל”שיחות” בין הנמלים. בנוסף, באמצעות סימון ברקוד אישי לכל נמלה, המדענים מסוגלים לעקוב ולהקליט את הפעילויות של כל נמלה. כך הם מקווים לענות על שאלות כמו: מי מדברת עם מי? האם קיימות קבוצות חברתיות שונות, או שכל הנמלים מתקשרות זו עם זו, ללא “אפליה”? האם העברת המסרים נעשית כשהנמלים נשארות במקומן – בדומה למשחק “טלפון שבור”, או שמדובר ב”שירות שליחים”, שבמסגרתו הנמלים מעבירות מסרים לטווחים רחוקים?

ד”ר פיינרמן: “נמלים משתמשות באסטרטגיות תקשורת מגוונות הנעות מקיצוניות אחת לשנייה, כתלות בסביבה ובהקשר. דוגמה אחת לכך היא שיטת ה’שק קמח’, שבה נמלה אחת רוכבת על גבה של נמלה אחרת. שיטה זו איטית, אך היא אמינה וישירה, ויכולה לשרת אותן במצבים שונים, כמו, למשל, כדי לוודא שנמלה מסוימת מגיעה בדיוק למקור המזון, ללא סכנה שתאבד את דרכה. מצבים אחרים מחייבים שיטות תקשורת ממוקדות פחות אך מהירות יותר. לדוגמה, אם המושבה מותקפת, הנמלים מפרישות פרומונים המתפזרים באוויר. דבר זה פועל כמערכת אזעקה, אשר מזהירה במהירות את המושבות השכנות”.

מטרת המחקר היא לא רק לחשוף את עקרונות הפעולה הסבוכים של מושבת הנמלים. בטווח הרחוק יותר, המדענים מקווים להשתמש בעקרונות של המערכת השיתופית המפוארת הזו כדי לפתח תורה לעיבוד אינפורמציה קולקטיבית. מטרה נוספת היא פיתוח כלים שיסייעו לענות על שאלות יסוד בנוגע לפעילותן של מערכות ביולוגיות מורכבות אחרות – כמו, לדוגמה, כיצד תאי המערכת החיסונית פועלים יחד כדי להילחם בזיהום. לתורה זו עשויים גם להיות שימושים בתכנון מערכות מבוזרות, כמו אנטנות לתקשורת סלולרית, רשתות של סנסורים אלחוטיים, ואף קבוצות רובוטים הממלאים תפקידי חילוץ והצלה.

מלכת הכיתה

בראש כל מושבת נמלים נמצאת המלכה, אולם היא אינה שולטת או מפעילה כל סוג של שליטה על הנמלים הפועלות. תפקידה היחיד הוא להטיל ביצים. ללא שליט, כיצד מחלקות הנמלים את העבודה ביניהן? האם מדובר בארגון היררכי שבו לכל נמלה יש תפקיד מוגדר, או שכולן שוות?

במחקריו הקודמים חקר ד”ר פיינרמן אם תכונות מסוימות, כמו ניסיון קודם, גיל, משקל הגוף ומיקום במרחב, קובעים את חלוקת התפקידים בקן. כדי לבחון זאת, הוא בדק כיצד מגיבות הנמלים לדרישות הולכות וגוברות במשימה מסוימת. הנמלים מוקמו בקן מלאכותי, והמדענים ביצעו שינויים במשימות באמצעות הפסקת אספקת המזון, או הוספת זחלים חדשים במפתיע – כדי לבדוק אילו נמלים מתגייסות כדי לטפל במצב החדש.

המחקר גילה, כי הנמלים הרזות ביותר הן אלה שנחלצות לחפש מזון, והן גם אלה שמתגייסות להעביר את הצאצאים החדשים ש”הושתלו” בקן לאיזור בו מטפלים בזחלים, אך הן אינן לוקחות חלק בטיפול בזחלים החדשים לאחר מכן. למעשה, משימת הטיפול בצאצאים מוטלת באופן אקראי על הנמלים שהזדמנו לסביבה, ללא קשר לגיל הנמלה, לניסיון או למשקל גוף.

“שליחת הנמלים הרזות לחיפוש מזון עשויה להיות אסטרטגיה טובה להישרדות המושבה, משום שאובדנן של הנמלים יהיה יקר פחות למושבה כולה. נמלים אלה מושכות פחות טורפים, והודות לקלות התנועה שלהן הן יעילות יותר בביצוע המשימה. העובדה שמשימת הטיפול בצאצאים אינה תלויה בתכונות הנמלה מרמזת, כי הגמישות בחלוקת התפקידים, ושיתוף פעולה כללי, הן תכונות חשובות להישרדות המושבה יותר מאשר, לדוגמה, מומחיות או ניסיון בביצוע משימה מסוימת, משום שהן מאפשרות תגובה מהירה לתנאים משתנים”, אומר ד”ר פיינרמן.

אישי

עופר פיינרמן נולד ברחובות. הוא קיבל תואר ראשון בפיסיקה ובמתמטיקה (1996) ותואר שני בפיסיקה (1999) מהאוניברסיטה העברית. כתלמיד מחקר לתואר שלישי במכון ויצמן למדע היה הראשון ליצור, בהדרכתו של פרופ’ אלישע מוזס, מעגל לוגי מלאכותי עשוי מתאי עצב, וקיבל דוקטורט בשנת 2006. לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במרכז לחקר הסרטן על-שם סלואן קטרינג בניו-יורק, שם חקר כיצד תאי ה-T המווסתים של מערכת החיסון משתפים פעולה כדי להילחם בזיהומים. הוא הקדיש שנה לחקר נמלים באוניברסיטת רוקפלר, ובאוקטובר 2010 הצטרף למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. “החזרה למכון הייתה עבורי התגשמות חלום. היא נתנה לי לא רק את ההזדמנות לחזור לישראל, אלא גם את החופש לעסוק במחקר בנושא לא קונבנציונלי ומרתק”.

עופר פיינרמן נשוי למיקה, אמנית פסיפס, ואב לשלושה ילדים: מתן בן התשע, שי בת השבע, ונומי בת ארבע.