Think about all the things that need to happen for a human settlement to thrive: obtaining food, building shelter, raising children and more. There needs to be a way to divide resources, organize major efforts and distribute labor efficiently. Now imagine having to do this without any sort of planning or higher level communication. Welcome to the ant colony. Ants have some of the most complex social organization in the animal kingdom, living in structured colonies containing different types of members who perform specific roles. But although this may sound similar to some human societies, this organization doesn't arise from any higher level decisions, but is part of a biologically programmed cycle. In many species, all the winged males and winged virgin queens from all the nearby colonies in the population each leave from their different nests and meet at a central place to mate, using pheromones to guide each other to a breeding ground. After mating, the males die off, while females try to establish a new colony. The few that are successful settle down in a suitable spot, lose their wings, and begin laying eggs, selectively fertilizing some using stored sperm they've saved up from mating. Fertilized eggs grow into female workers who care for the queen and her eggs. They will then defend the colony and forage for food, while unfertilized eggs grow into males whose only job is to wait until they are ready to leave the nest and reproduce, beginning the cycle again. So how do worker ants decide what to do and when? Well, they don't really. Although they have no methods of intentional communication, individual ants do interact with one another through touch, sound and chemical signals. These stimuli accomplish many things from serving as an alarm to other ants if one is killed, to signaling when a queen is nearing the end of her reproductive life. But one of the most impressive collective capabilities of an ant colony is to thoroughly and efficiently explore large areas without any predetermined plan. Most species of ants have little or no sense of sight and can only smell things in their vicinity. Combined with their lack of high level coordination, this would seem to make them terrible explorers, but there is an amazingly simple way that ants maximize their searching efficiency; by changing their movement patterns based on individual interactions. When two ants meet, they sense each other by touching antennae. If there are many ants in a small area this will happen more often causing them to respond by moving in more convoluted, random paths in order to search more thoroughly. But in a larger area, with less ants, where such meetings happen less often, they can walk in straight lines to cover more ground. While exploring their environment in this way, an ant may come across any number of things, from threats or enemies, to alternate nesting sites. And some species have another capability known as recruitment. When one of these ants happens to find food, it will return with it, marking its path with a chemical scent. Other ants will then follow this pheromone trail, renewing it each time they manage to find food and return. Once the food in that spot is depleted, the ants stop marking their return. The scent dissipates and ants are no longer attracted to that path. These seemingly crude methods of search and retrieval are, in fact, so useful that they are applied in computer models to obtain optimal solutions from decentralized elements, working randomly and exchanging simple information. This has many theoretical and practical applications, from solving the famous traveling salesman problem, to scheduling computing tasks and optimizing Internet searches, to enabling groups of robots to search a minefield or a burning building collectively, without any central control. But you can observe these fascinatingly simple, yet effective, processes directly through some simple experiments, by allowing ants to enter empty spaces of various sizes and paying attention to their behavior. Ants may not be able to vote, hold meetings or even make any plans, but we humans may still be able to learn something from the way that such simple creatures are able to function so effectively in such complex ways.
به تمام مواردی که برای رشد جامعه انسانی لازمند فکر کنید: تامین غذا، ساخت سرپناه، پرورش دادن فرزندان، و غیره. باید راهی برای تقسیم کردن منابع، سازماندهی کارهای مهم، و توزیعِ کار به صورت کارآمد وجود داشته باشد. حالا تصور کنید مجبورید همه این کارها را بدون هیچ گونه برنامه ریزی یا ارتباطات در سطح بالا انجام دهید. به اجتماع مورچه ها خوش امدید. مورچه ها یکی از پیچیده ترین سازماندهی های اجتماعی را در قلمروی حیوانات دارا هستند، در کلونی های ساختاربندی شده که حاوی انواع مختلف اعضا، با نقش های خاص هستند زندگی می کنند. اما گرچه این سازماندهی شبیه به جوامع انسانی است، اما از هیچ تصمیم گیری سطحِ بالایی ناشی نمیشود، بلکه بخشی از یک چرخه ی زیستی است. در بسیاری از گونه ها، همه ی نرهای بالدار و ملکه های باکره ی بالدار از همه ی کلونی های نزدیک هر کدام از یک لانه ی متفاوت خارج می شوند و برای جفتگیری در یک مکان مرکزی به هم می رسند، و با استفاده از فرمون، راه محل جفتگیری را میابند. بعد از جفتگیری نرها می میرند، و ماده ها سعی می کنند یک کلونی جدید تاسیس کنند. تعداد معدودی که موفق می شوند، در یک نقطه ی مناسب می مانند، بال هایشان را از دست می دهند، و شروع به تخم گذاشتن می کنند، و تعدادی از آنها را با استفاده از اسپرمِ ذخیره شده در جفتگیری بارور می کنند. تخم های بارور شده به کارگران ماده تبدیل می شوند، که از ملکه و تخم هایش مراقبت می کنند. آنها بعدا از کلونی دفاع میکنند، و به دنبال غذا می روند، در حالی که تخم های بارورنشده به مورچه نر تبدیل می شوند که فقط باید منتظر باشند تا آماده ی ترک لانه و تولید مثل شوند، و چرخه را از نو شروع کنند. اما مورچه های کارگر چطور تصمیم میگیرند چه کاری را چه زمانی انجام دهند؟ در واقع آنها این کار را نمی کنند، هرچند مورچه ها هیچ روشی برای برقراری ارتباط عمدی ندارند اما تک تک آنها از طریق سیگنالهای لمسی، صوتی و شیمیایی با هم در تعامل هستند. این محرک ها کارهای زیادی انجام می دهند از عمل کردن به عنوان یک هشدار در موارد مرگ یک مورچه، تا اعلام زمانِ نزدیک شدنِ یک ملکه به آخرِ عمرِ تولد مثلی اش. اما یکی از تاثیربرانگیزترین توانایی های جمعی یک اجتماع مورچه ها اکتشاف نواحی گسترده به شکل کامل و موثر ان هم بدون یک نقشه ی از پیش تعیین شده می باشد. بیشتر گونه های مورچه حس بینایی بسیار کمی دارند یا کورند و فقط بوهای نزدیکشان را می شنوند. ظاهرا این در ترکیب با هماهنگی سطحیِ پایینشان، مورچه ها را به کاوشگرانِ افتضاحی تبدیل می کند، اما یک راه ساده و شگفت انگیز هست که مورچه ها کارامدیِ جستجویشان را به بالاترین حد میرسانند: با تغییر الگوهای حرکتی خود بر اساس تعاملات فردی. وقتی دو مورچه به هم می رسند، یکدیگر را با لمس کردن انت ها حس می کنند. اگر تعداد زیادی مورچه در مساحتی کم وجود داشته باشد این امر بیشتر رخ می دهد، که باعث میشود آنها با حرکت در مسیرهای تصادفی و پیچیده تر، واکنش نشان دهند تا جستجوی عمیقتری داشته باشند. اما در محیط های بازتر و مورچه های کمتر، که چنین ملاقات هایی کمتر رخ می دهد، انها میتوانند در مسیر مستقیم حرکت کنند تا زمینِ بیشتری را پوشش دهند. کاوش در محیطهای این چنینی میتواند مورچه ها را با چیزهای زیادی مواجه کند: از تهدیدها و دشمنان گرفته، تا مکانهای جدید برای لانه سازی. و بعضی گونه ها یک توانایی دیگر به نام نفرگیری دارند. وقتی یکی از این مورچه ها غذا پیدا کند، با آن غذا بازمیگردد و مسیرش را با یک بوی شیمیایی علامتگذاری می کند. سپس سایر مورچه ها این ردپای فرمونی را دنبال می کنند، و هر بار که موفق به یافتن غذا و بازگشت میشوند ان را تجدید می کنند. وقتی غذای ان نقطه تخلیه شد، مورچه ها دیگر در راه برگشت علامتگذاری نمی کنند. بو تبخیر می شود و مورچه ها دیگر به آن مسیر جذب نمی شوند. این روشِ جستجو و گرداوریِ به ظاهر ساده و ناپخته در واقع آنقدر مفید است که در مدلهای رایانه ای به منظور به دست اوردنِ راه حل های بهینه از عناصرِ نامتمرکز، کارِ تصادفی و مبادله اطلاعات ساده اعمال می شود. این روش کاربردهای نظری و عملی زیادی دارد، از مسئله ی فروشنده ی دوره گردِ مشهور گرفته تا برنامه ریزی وظایفت محاسباتی، و جستجوهای اینترنتیِ بهینه سازی شده، تا ربات های جستجوی جمعی در میدان های مین یا یک ساختمانِ در حالِ سوختن، که بدون کنترل مرکزی کار می کنند. اما این فرآیندهای ساده ولی کارامد را میتوان به صورت مستقیم از طریق آزمایشاتِ ساده مشاهده کرد، مثلا با وارد کردن مورچه ها به فضاهای خالی با اندازه های متنوع و توجه کردن به رفتارِ انها. شاید مورچه نتوانند رای بدهند، جلسه بگذارند، یا حتی برنامه ریزی کنند، اما شاید ما انسان ها باز هم بتوانیم از این موجودات ساده یاد بگیریم چطور با این پیچیدگیِ بالا عملکردی بسیار کارامد داشته باشیم.