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.
Pensate a tutto ciò che deve essere fatto da una comunità umana per farla prosperare: procurarsi del cibo, costruirsi un riparo, allevare i figli e altro ancora. È necessaria una divisione delle risorse, una maggiore organizzazione degli sforzi e una suddivisione efficiente del lavoro. Ora, immaginate di fare tutto ciò senza alcun tipo di piano o di un alto livello di comunicazione. Benvenuti nelle colonie di formiche. Le formiche vantano una delle organizzazioni sociali più complesse del regno animale, vivendo in colonie strutturate composte da diverse tipologie di membri che svolgono ruoli specifici. Ma anche se questo può ricordare in qualche modo la società umana, la loro organizzazione non è il frutto di decisioni prese dall'alto, ma è parte di un ciclo biologico programmato. In molte specie, tutti i maschi e le regine vergini, entrambi muniti di ali e provenienti da colonie vicine, lasciano i loro differenti nidi di provenienza per incontrarsi a metà strada e procedere all'accoppiamento, guidati nel luogo di riproduzione dai feromoni. Dopo l'accoppiamento i maschi muoiono, mentre le femmine cercano di stabilire una nuova colonia. Le poche che riescono con successo a stabilirsi in un luogo adatto, perdono le ali, e iniziano a deporre le uova, fertilizzandone in maniera selettiva solo alcune utilizzando lo sperma conservato in seguito all'accoppiamento. Le uova fertilizzate danno vita alle femmine fertilizzate che si prendono cura della regina e delle sue uova. Dopo di che difenderanno la colonia e procureranno il cibo, mentre le uova non fertilizzate daranno vita ai maschi il cui unico compito è quello di attendere fino a quando non saranno pronti per abbandonare il nido per riprodursi, dando vita a un nuovo ciclo. Dunque, in che modo le formiche operaie decidono cosa fare e quando? Beh, in realtà non decidono. Anche se non posseggono alcun tipo di comunicazione intenzionale, le singole formiche interagiscono tra di loro attraverso il contatto, il suono e i segnali chimici. Questi stimoli servono a diverse cose dal dare l'allarme alle altre se una rimane uccisa, al segnalare quando la regina si avvicina alla fine della propria vita riproduttiva. Ma la capacità più impressionante che ognuna di loro ha è quella di esplorare a fondo e con efficienza ampie aree senza un piano predeterminato. Molte specie di formiche sono provviste o quasi del senso della vista e riescono a fiutare solo gli odori in loro prossimità. Assieme alla mancanza di un alto livello di coordinazione, tutto ciò dovrebbe renderle delle pessime esploratrici, c'è invece uno straordinario quanto semplice modo in cui le formiche sfruttano al meglio la loro efficienza di ricerca: modificano i loro percorsi basandosi sulle interazioni individuali. Quando due formiche si incontrano queste si sentono toccandosi reciprocamente le antenne. Il che accade spesso quando in un'area ristretta ci sono molte formiche facendo sì che queste reagiscano seguendo percorsi più complicati e casuali così da cercare più approfonditamente. Invece, in un 'area più vasta, con meno formiche in cui i suddetti incontri sono meno frequenti, possono seguire dei percorsi più lineari per coprire più terreno. Durante le esplorazioni si comportano così: una formica può imbattersi in una serie di situazioni, pericoli o nemici, oppure in luoghi in cui vi sono dei nidi. E alcune specie hanno un'altra capacità conosciuta come 'reclutamento'. Quando una di queste formiche trova del cibo, farà ritorno con esso marcando il percorso con un odore chimico. Di conseguenza, le altre formiche seguiranno questa pista di feromone rinnovandola ogni volta dopo aver trovato il cibo. Una volta che il cibo sarà esaurito, le formiche smetteranno di marcare il loro ritorno. L'odore si dissolve e le formiche non saranno più attratte da quel percorso. Questi metodi, apparentemente grezzi, di ricerca e approvvigionamento sono, in realtà, così utili da essere applicati a modelli informatici per ottenere soluzioni ottimali da elementi decentrati, lavorando in maniera casuale e scambiandosi informazioni. Ciò trova molte applicazioni teoriche e pratiche, dal famoso 'problema del commesso viaggiatore', alla pianificazione delle operazioni di un computer, alla ottimizzazione delle ricerche internet, permettendo a un gruppo di robot di cercare collettivamente campi minati o edifici in fiamme, senza alcun tipo di controllo centrale. Ma è possibile osservare questo processo, tanto semplice quanto efficace, attraverso semplici esperimenti, consentendo a delle formiche di accedere in spazi vuoti di varie dimensioni prestando attenzione al loro comportamento. Le formiche non sono in grado di votare, di tenere incontri o di programmare, ma noi umani siamo ancora in grado di imparare qualcosa dal modo in cui queste semplici creature sono capaci di funzionare così efficacemente in modo complesso.