5.4: Estigmergia y Superorganismos

Para calcular soluciones al problema del vendedor ambulante, las hormigas de una colonia interactúan y alteran su entorno de una manera bastante mínima: depositan un rastro de feromonas que posteriormente puede ser detectado por otros miembros de la colonia. Sin embargo, se encuentran fácilmente ejemplos impresionantes de interacciones más ricas entre los insectos sociales y su mundo.

Por ejemplo, las avispas son insectos sociales que albergan sus colonias en nidos de estructura intrincada que exhiben, entre especies, tremenda variabilidad en tamaño, forma y ubicación (Downing & Jeanne, 1986). El tamaño de los nidos va desde una docena hasta casi un millón de células o peines (Theraulaz, Bonabeau, & Deneubourg, 1998). La construcción de algunos nidos requiere que se coordine el trabajo especializado (Jeanne, 1996, p. 473): “En la complejidad y regularidad de sus nidos y la diversidad de sus técnicas de construcción, las avispas igualan o superan a muchas de las hormigas y abejas”.

Nidos más impresionantes son construidos por otro tipo de colonias de insectos, como las termitas, cuyos vastos montículos son construidos a lo largo de muchos años por millones de insectos individuales. Un montículo típico de termitas tiene una altura de 2 metros, mientras que algunos de hasta 7 metros se han observado (von Frisch, 1974). Los montículos de termitas adoptan una variedad de innovaciones estructurales para controlar su temperatura interna, incluidos los pozos de ventilación o la forma y orientación para minimizar los efectos del sol o la lluvia. Tales nidos,

parecen [ser] evidencia de un plan maestro que controla las actividades de los constructores y se basa en los requerimientos de la comunidad. Cómo esto puede suceder dentro del enorme complejo de millones de trabajadores ciegos es algo que desconocemos. (von Frisch, 1974, p. 150)

¿Cómo coordinan las colonias de insectos simples, como avispas o termitas, las acciones de los individuos para crear sus impresionantes e intrincados nidos? “Uno de los retos de la sociobiología de los insectos es explicar cómo ese comportamiento a nivel de colonia emerge de las decisiones individuales de los miembros de la colonia” (Jeanne, 1996, p. 473).

Una aproximación teórica a este problema se encuentra en el trabajo pionero del entomólogo William Morton Wheeler, quien argumentó que la biología tenía que explicar cómo los organismos afrontan ambientes complejos e inestables. Con respecto a los insectos sociales, Wheeler (1911) propuso que una colonia de hormigas, considerada como un todo, es en realidad un organismo, llamando a la colonia como organismo el superorganismo: “La colonia animal es un verdadero organismo y no meramente el análogo de la persona” (p. 310).

Wheeler (1926) coincidió en que las características de un superorganismo deben emerger de las acciones de sus partes, es decir, los miembros individuales de su colonia. Sin embargo, Wheeler también argumentó que las propiedades de orden superior no podían reducirse a propiedades de los componentes del superorganismo. Aprobó ideas que luego fueron popularizadas por la psicología de la Gestalt, como la noción de que el todo no es simplemente la suma de sus partes (Koffka, 1935; Köhler, 1947).

El carácter cualitativo único de los enteros orgánicos se debe a las peculiares relaciones o interacciones no aditivas entre sus partes. En otras palabras, el todo no es meramente una suma, o resultante, sino también una novedad emergente, o síntesis creativa. (Wheeler, 1926, p. 433)

La teoría de Wheeler es un ejemplo de holismo (Sawyer, 2002), en el que las regularidades que gobiernan todo un sistema no pueden reducirse fácilmente a una teoría que apela a las propiedades de las partes del sistema. Las teorías holísticas a menudo han sido criticadas por no ser científicas (Wilson & Lumsden, 1991). El problema con estas teorías es que en muchos casos se resisten a los enfoques tradicionales reduccionistas para definir las leyes responsables de las regularidades emergentes. “El holismo es una idea que ha perseguido la biología y la filosofía durante casi un siglo, sin entrar en un enfoque claro” (Wilson & Lumsden, 1991, p. 401).

Los teóricos que rechazaron la propuesta de Wheeler sobre el superorganismo propusieron teorías alternativas que redujeron la inteligencia colonial a las acciones de los miembros individuales de la colonia. Un pionero de esta alternativa fue un contemporáneo de Wheeler, biólogo francés Etienne Rabaud. “Todo su trabajo sobre sociedades de insectos fue un intento de demostrar que cada insecto individual en una sociedad se comporta como si estuviera solo” (Theraulaz & Bonabeau, 1999). Wilson y Lumsden adoptaron una posición similar:

Es tentador postular alguna fuerza muy compleja distinta de los repertorios individuales y que opera a nivel de la colonia. Pero una mirada más cercana muestra que el orden superorganismico es en realidad una suma directa de respuestas individuales a menudo sorprendentemente simples. (Wilson & Lumsden, 1991, p. 402)

De interés para la ciencia cognitiva encarnada son las teorías que proponen que el control ambiental dinámico guía la construcción de los elaborados nidos.

La primera preocupación de tal teoría es el relato general que proporciona del comportamiento de cada individuo. Por ejemplo, consideremos una teoría influyente del comportamiento de las avispas (Evans, 1966; Evans & West-Eberhard, 1970), en la que una jerarquía de unidades internas sirve para liberar comportamientos. Por ejemplo, las unidades de alto nivel pueden incluir el apareamiento, la alimentación y la cría de crías. Tales impulsiones ponen en movimiento secuencias de comportamiento de nivel inferior, que a su vez podrían activar incluso secuencias conductuales de nivel inferior. En definitiva, Evans ve el comportamiento de las avispas como arraigado en programas innatos, donde un programa es un conjunto de comportamientos que se producen en una secuencia particular, y donde la secuencia es dictada por el control de una disposición jerárquica de unidades. Por ejemplo, una unidad de cría podría activar una unidad para capturar presas, que a su vez activa un conjunto de comportamientos que producen un vuelo de caza.

Críticamente, sin embargo, los programas de Evans también se controlan liberando estímulos que son externos a la avispa. En particular, se presume que un comportamiento en la secuencia produce una señal ambiental que sirve para iniciar el siguiente comportamiento en la secuencia. Por ejemplo, en el modelo de Evans (1966) de la construcción de una madriguera por una avispa solitaria, el comportamiento de excavación de una avispa produce suelo suelto, lo que sirve como señal para que la avispa inicie el comportamiento de raspado. Este comportamiento a su vez provoca que la madriguera se obstruya, lo que sirve como señal para el comportamiento de limpieza. Tener una secuencia de comportamientos bajo el control tanto de los accionamientos internos como de los liberadores externos proporciona un equilibrio entre rigidez y flexibilidad; los accionamientos internos sirven para proporcionar un objetivo general de comportamiento, mientras que las variaciones en los liberadores externos pueden producir variaciones en los comportamientos: por ejemplo, dando como resultado una estructura atípica del nido cuando el daño del nido provoca una secuencia de comportamiento variada. “Cada elemento de la 'cadena de reacción' depende de lo que le precede así como de ciertos factores en el ambiente (a menudo gestalts), y cada acto es capaz de una cierta latitud de ejecución” (p. 144).

Si el comportamiento de un individuo es un programa cuyas acciones están bajo algún control ambiental (Evans, 1966; Evans & West-Eberhard, 1970), entonces es un pequeño paso imaginar cómo las acciones de un miembro de una colonia pueden afectar las acciones posteriores de otros integrantes, incluso en el caso extremo donde hay absolutamente no hay comunicación directa entre los miembros de la colonia; un individuo en la colonia simplemente cambia el ambiente de tal manera que otros miembros de la colonia desencadenan nuevos comportamientos.

Este tipo de teorización es prominente en los relatos modernos de la construcción de nidos por avispas sociales de papel (Theraulaz & Bonabeau, 1999). Un nido para tales avispas consiste en una celosía de celdas, donde cada celda es esencialmente un peine creado a partir de una disposición hexagonal de paredes. Cuando se está construyendo un nido grande, ¿dónde se agregarán nuevas celdas?

Theraulaz y Bonabeau (1999) respondieron a esta pregunta asumiendo que la adición de nuevas celdas estaba bajo control ambiental. Ellos plantearon la hipótesis de que la decisión de una avispa individual sobre dónde construir una nueva pared celular fue impulsada por su percepción de las paredes existentes. Su teoría consistió en dos reglas simples. Primero, si hay una ubicación en el nido en la que ya existían tres paredes de una célula, entonces esto se propuso como un estímulo para hacer que una avispa agregara otra pared aquí con alta probabilidad. En segundo lugar, si ya existían dos paredes como parte de una célula, esto también era un estímulo para agregar una pared, pero este estímulo produjo esta acción con una probabilidad mucho menor.

La característica crucial de este enfoque es que el comportamiento es controlado, y las actividades de los miembros de una colonia son coordinadas, por un ambiente dinámico. Es decir, cuando se activa a un individuo para agregar una pared celular al nido, entonces la estructura del nido cambia. Dichos cambios en la apariencia del nido a su vez afectan el comportamiento de otras avispas, afectando las elecciones sobre las ubicaciones donde se agregarán las paredes a continuación. Theraulaz y Bonabeau (1999) crearon una simulación de construcción de nidos que solo utilizó estas dos reglas, y demostró que creó nidos simulados que eran muy similares en estructura a los nidos de avispas reales.

Además de agregar células lateralmente al nido, las avispas también deben alargar las paredes existentes para acomodar el crecimiento de larvas que viven dentro de las células. Karsai (1999) propuso otro modelo ambientalmente controlado de este aspecto de la construcción de nidos. Su teoría es que las avispas perciben la diferencia relativa entre la pared más larga y la más corta de una célula. Si esta diferencia estaba por debajo de un valor umbral, entonces la celda estaba intacta. No obstante, si esta diferencia excediera un cierto umbral, entonces esto provocaría que una avispa alargara la pared más corta. Karsai utilizó una simulación por computadora para demostrar que este modelo simple proporcionó una cuenta precisa del crecimiento tridimensional de un nido de avispas a lo largo del tiempo.

La externalización del control ilustrada en las teorías de la construcción de nidos de avispas se llama estigmergia (Grasse, 1959). El término proviene del estigma griego, que significa “picadura” y ergon, que significa “trabajo”, capturando la noción de que el ambiente es un estímulo que hace que ocurra un trabajo o comportamiento particular. Se utilizó por primera vez en teorías de construcción de montículos de termitas propuestas por el zoólogo francés PierrePaul Grassé (Theraulaz & Bonabeau, 1999). Grassé demostró que las propias termitas no coordinan ni regulan su comportamiento constructivo, sino que éste es controlado por la propia estructura del montículo.

La estigmergia es atractiva porque puede explicar cómo agentes muy simples crean productos extremadamente complejos, particularmente en el caso en que el producto final, como un montículo de termitas, se extiende en el espacio y el tiempo mucho más allá de la esperanza de vida de los organismos que lo crean. Además, da cuenta de la construcción de nidos grandes y sofisticados sin necesidad de un plano completo y sin la necesidad de comunicación directa entre los miembros de la colonia (Bonabeau et al., 1998; Downing & Jeanne, 1988; Grasse, 1959; Karsai, 1999; Karsai & Penzes, 1998; Karsai & Wenzel, 2000; Theraulaz & Bonabeau, 1995). La estigmergia pone énfasis en la importancia del entorno que suele estar ausente en el sándwich clásico que caracteriza las teorías tanto en la ciencia cognitiva clásica como en la conexionista. Sin embargo, las teorías clásicas tempranas simpatizaron con el papel de la estigmergia (Simon, 1969). En la famosa parábola de la hormiga de Simón, los observadores registraron el camino recorrido por una hormiga a lo largo de una playa. ¿Cómo podríamos dar cuenta de los complicados giros y giros de la ruta de la hormiga? Los científicos cognitivos tienden a explicar comportamientos complejos invocando mecanismos de representación complicados (Braitenberg, 1984). En contraste, Simon (1969) señaló que el camino podría resultar de procesos internos simples que reaccionan a fuerzas externas complejas, los diversos obstáculos a lo largo del terreno natural de la playa: “Visto como una figura geométrica, el camino de la hormiga es irregular, complejo, difícil de describir. Pero su complejidad es realmente una complejidad en la superficie de la playa, no una complejidad en la hormiga” (p. 24).

De igual manera, Braitenberg (1984) argumentó que cuando los investigadores explican el comportamiento apelando a procesos internos, ignoran el entorno: “Cuando analizamos un mecanismo, tendemos a sobreestimar su complejidad” (p. 20). Sugirió un enfoque alternativo, la psicología sintética, en el que se construyen agentes simples (como los robots) y luego se observan en entornos de diversa complejidad. Este enfoque puede proporcionar a la ciencia cognitiva teorías más poderosas, y mucho más simples, aprovechando que no toda la inteligencia debe colocarse dentro de un agente.

Los científicos cognitivos encarnados reconocen que el mundo externo puede usarse para andamiar la cognición y que la memoria de trabajo y otros componentes de una arquitectura clásica se han filtrado al mundo (Brooks, 1999; Chemero, 2009; Clark, 1997, 2003; Hutchins, 1995; Pfeifer & Scheier, 1999). En muchos aspectos, la ciencia cognitiva encarnada es ante todo una reacción contra el sobreénfasis del procesamiento interno que impone el sándwich clásico.