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.
Gondolj bele, mennyi minden szükséges egy emberi település működéséhez: gondoskodni kell élelemről, lakásépítésről, gyermeknevelésről és egyebekről. Meg kell oldani az erőforrások elosztását, az erőfeszítések összpontosítását és a munkaerő hatékony felhasználását. És most képzeld el mindezt tervezés nélkül, magasabb szintű kommunikáció híján. Mert így működik a hangyaboly. A hangyáké az egyik legösszetettebb társadalom az állatvilágban: a strukturált bolyokban különböző típusú egyedek élnek más-más szerepre szakosodva. És noha ez hasonlónak tűnik az emberi társadalmakhoz, ez a szervezettség nem magasabb szintű döntések eredménye, hanem része egy biológiailag programozott ciklusnak. Sok faj esetében a szárnyas hímek és szárnyas szűz nőstények egyszerre kerekednek fel a környék bolyaiból otthagyva fészküket, hogy egy központi helyen pározzanak, feromonjaikkal irányítva egymást a nász helyszínére. Párzás után a hímek elpusztulnak, a nőstények pedig új bolyt igyekeznek alapítani. Az a néhány, amelyiknek sikerül, letelepszik egy alkalmas helyen, ledobja szárnyát, és tojni kezd, megtermékenyítve a tojások egy részét a párzáskor begyűjtött spermával. A megtermékenyített tojásokból nőstény dolgozók lesznek, melyek gondoskodnak a királynőről és tojásairól Ők védelmezik a bolyt, ők gondoskodnak élelemről. A megtermékenyítetlen tojásokból hímek lesznek, melyek egyetlen dolga az, hogy felkészüljenek a fészek elhagyására, s elkezdjenek egy új szaporodási ciklust. Vajon hogy döntik el a dolgozók, hogy mikor mi a teendőjük? Nos, igazából nincs szó döntésekről. Noha nem létezik szándékos kommunikáció közöttük, az egyes hangyák kölcsönhatásban vannak egymással érintések, hangok és kémiai jelzések révén. Ezek az ingerek sok mindenre jók, a hangyatárs halála által kiváltott riasztástól kezdve annak jelzéséig, hogy a királynő szaporodóképességének végéhez közelít. De egy hangyaboly legbámulatosabb kollektív képessége nagy területek teljes és hatékony felkutatása minden meghatározott terv nélkül. Legtöbb hangyafaj alig vagy egyáltalán nem lát, és csak a környezeti szagokat érzékeli. Ebből és a magas szintű koordináció hiányából azt gondolná az ember, hogy csapnivaló felderítők, ám egy elképesztően egyszerű módszerrel képesek a felderítés hatékonyságát maximalizálni azáltal, hogy a mozgásmintázatukat az egyedek közötti kölcsönhatáshoz igazítják. Amikor két hangya találkozik, a csápjaikat összeérintve érzékelik egymást. Ha egy kis területen sok hangya van, akkor ez sűrűbben fordul elő, ami arra készteti őket, hogy bonyolultabb véletlen útvonalakon alaposabban kutassanak. De ha egy nagy területen kevés hangya van, ahol ritkább a találkozás, akkor egyenes vonalban haladnak, és így messzebbre jutnak. A környezet felderítése közben a hangya sokféle dologgal találkozhat a veszélyhelyzettől egy alternatív fészkelési lehetőségig. Egyes fajok rendelkeznek azzal a képességgel, melyet toborzásnak hívunk. Ha egy ilyen hangya eledelt talál, elviszi a fészekbe, s eközben kémiai szagnyomot hagy hátra. A többi hangya aztán ezt a feromonnnyomot követi, s ha eledelt talál, maga is frissíti a nyomot visszafelé. Ha a lelőhely készletei kimerülnek, a hangyák nem jelölik meg az utat visszafelé. A szag eloszlik, és az útvonal nem vonzza többé a hangyákat. Ezek a látszólag primitív keresési módszerek valójában olyan hatékonyak, hogy számítógépes modellekben optimális megoldást jelentenek decentralizált elemek esetében, melyek véletlenszerűen cserélnek ki egyszerű információt. Ennek sok elméleti és gyakorlati alkalmazása van, kezdve a híres utazóügynök problémával, a számítási feladatok ütemezésén és az internetes keresés optimalizálásán át egy aknamező vagy égő épület átkutatásáig robotcsoportok segítségével, bármiféle központi szabályozás nélkül. Ezeket a lenyűgözően egyszerű, de hatékony folyamatokat közvetlenül tanulmányozhatjuk egyszerű kísérletek segítségével, úgy, hogy a hangyákat különböző méretű üres térségekbe eresztjük, hogy megfigyeljük a viselkedésüket. Lehet, hogy a hangyák nem képesek szavazni, ülésezni vagy tervet készíteni, de mi, emberek mégis okulhatunk ezeknek az egyszerű lényeknek a hatékony és komplex viselkedéséből.