Представьте, что вы представитель вида Cephalotes goniodontus, древесный муравей с головой, похожей на Дарта Вейдера, который вдохновил людей называть вас «черепашьими муравьями». Вы движетесь вдоль ветки спутанной кроны дерева в Халиско, Мексика, следуя по следу запаха, оставленному другими муравьями из вашей колонии, но вы натыкаетесь на крутой конец, где ветка сломана. Откуда ты знаешь, куда идти?
Дебора Гордон, профессор биологии Стэнфордского университета, решила ответить на этот и многие другие вопросы, когда начала изучать этих муравьев в 2011 году. муравьи выбирают.
Работа Гордона, опубликованная в Интернете 29 сентября журналом American Naturalist, привела к разработке простого алгоритма, который объясняет, как муравьи создают, ремонтируют и обрезают сеть в сложном лабиринте растительности. Этот алгоритм может объяснить другие биологические процессы или предложить инженерные решения.
Алгоритм муравья
Муравьи, которых изучал Гордон, никогда не покидают свой лесной полог, вместо этого перемещаясь через сплетение лиан, кустов и деревьев по цепи троп, соединяющих множество гнезд и источников пищи. Поскольку эти источники пищи приходят и уходят, гнезда исчезают, а ветки ломаются, круговорот немного меняется изо дня в день.
Гордон нанес на карту эти сложные тропы и поставил эксперименты, чтобы изучить, как муравьи реагируют, когда появляется новая пища или ломаются ветки. Вместе с Арджуном Чандрасекхаром и Сакетом Навлахой из Института биологических исследований Солка Калифорнийского университета в Сан-Диего Гордон проанализировал полученные данные, чтобы смоделировать, как муравьи восстанавливают и обрезают свою сеть следов.
«В каждом узле муравьи могут потеряться, если другие не были там достаточно недавно, чтобы оставить химический след», - сказал Гордон. «Итак, существует непрерывный процесс, который создает не сеть с кратчайшим путем, а сеть с наименьшим количеством соединений, где муравьям приходится принимать решение, и они могут принять неправильное решение. Похоже, эволюция благоприятствовала тому, чтобы муравьи оставались вместе на одной и той же сети, вместо того, чтобы экономить их усилия в том, как далеко они должны пройти."
Муравьи C. goniodontus выбирают маршрут на перекрестке, следуя феромонам, выделяемым муравьями, недавно пересекшими этот перекресток. Феромон испаряется, поэтому путь, на котором недавно было больше всего муравьев, является самым привлекательным. Пометив муравьев лаком для ногтей, Гордон обнаружил, что одни и те же муравьи, как правило, выходят из гнезда по одним и тем же тропам.
Но если тропа обрывается, у муравьев есть простой план, как восстановить связь с сетью троп. Они используют так называемый «жадный поиск», обходя разрыв на пути, возвращаясь к ближайшему перекрестку и выбирая новый путь из этой точки.
«Даже если есть то, что кажется нам более аккуратным решением, доступным путем возврата на несколько узлов, они никогда не используют это», - сказал Гордон. «Они всегда возвращаются к узлу, ближайшему к разлому, и идут оттуда к ближайшему узлу, и так далее. Поскольку растительность настолько запутана, они могут найти путь на другую сторону разлома».
Как это часто бывает в науке, алгоритмы могут предлагать вдохновленные природой решения инженерных проблем, что приводит к надежным и элегантным исправлениям. Алгоритмы, которые создают и восстанавливают естественные сети, такие как сеть нейронов и их синапсов в мозгу, помогают нам проектировать и ориентироваться во многих видах искусственных сетей, таких как Facebook или системы метро. По словам Гордона, этот алгоритм, созданный муравьями-черепахами в тропическом пологе, является еще одним примером превосходного эволюционного решения.