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.
Pomyśl o wszystkich rzeczach, które muszą się wydarzyć, żeby ludzie odnieśli sukces: o zdobywaniu pożywienia, budowie domów, wychowywaniu dzieci i innych. Musi istnieć system rozdzielania zasobów, organizacji wysiłków i efektywnego podziału pracy. Teraz wyobraź sobie, że trzeba to zrobić bez uprzedniego planowania czy wyższego poziomu komunikacji. Witaj w kolonii mrówek. Mrówki mają jeden z najbardziej złożonych sposobów organizacji społeczeństwa w królestwie zwierząt, żyją w zhierarchizowanej kolonii, w skład której wchodzą różni członkowie pełniący specyficzne role. Chociaż może to przypominać ludzkie społeczeństwo, ten sposób organizacji nie jest efektem niczyjej decyzji, ale częścią zaprogramowanego cyklu biologicznego. U wielu gatunków wszyscy uskrzydleni samce i uskrzydlone królowe, dziewice, ze wszystkich pobliskich kolonii tej populacji, każda z innego gniazda, spotykają się w centralnym miejscu w celu kopulacji, używając feromonów, by trafić do miejsca rozrodu. Po kopulacji samce umierają, a samice próbują utworzyć nową kolonię. Kilka z nich, którym uda się osiąść w odpowiednim miejscu, straci skrzydełka i zacznie składać jaja, losowo zapładniając niektóre, używając spermy zgromadzonej podczas kopulacji. Z zapłodnionych jaj powstaną robotnice, które będą troszczyć się o królową i jej jajeczka. Potem będą bronić kolonii i zdobywać pożywienie. Z niezapłodnionych jajeczek wyklują się samce, których jedyną rolą jest czekanie, aż będą gotowe opuścić gniazdo i uczestniczyć w rozmnażaniu, zaczynając cały cykl od początku. Skąd robotnice wiedzą, co i kiedy mają robić? Tak naprawdę, to nie wiedzą. Choć nie mają żadnej metody świadomej komunikacji, poszczególne mrówki mogą wchodzić ze sobą w interakcje przez dotyk, dźwięk i sygnały chemiczne. Dzięki tym bodźcom mogą wiele zdziałać, od bicia na alarm, kiedy zginie jedna z mrówek, do sygnalizowania, że królowa zbliża się do kresu swojej płodności. Ale jedną z najbardziej imponujących grupowych zdolności mrówek jest gruntowne i efektywne przeszukiwanie ogromnych powierzchni bez żadnego planu działania. Większość gatunków mrówek nie widzi albo ma bardzo słaby wzrok i może jedynie wąchać swoje otoczenie. Biorąc pod uwagę brak wyższego zarządzania, wydawałoby się, że beznadziejne z nich poszukiwaczki, ale jest niesamowicie prosty sposób, dzięki któremu poszukiwania mrówek są tak skuteczne; zmieniają swoje wzorce ruchowe opierając swoje decyzje na pojedynczych interakcjach. Kiedy dwie mrówki się spotykają, dotykają się czółkami. Kiedy na małym terenie jest dużo mrówek, będzie do tego dochodzić często, co spowoduje, że zaczną poruszać się w bardziej zawiły sposób, żeby szukać dokładniej. Ale na dużym terenie, kiedy takie spotkania są rzadsze, poruszają się po liniach prostych, żeby sprawdzić większy teren. Poznając środowisko w ten sposób, mrówka może dowiedzieć się wszystkiego, od zagrożeń i wrogów, do dogodnych miejsc na mrowisko. Niektóre gatunki mają inną umiejętność, zwaną naborem. Kiedy jedna mrówka znajdzie jedzenie, wraca do mrowiska, zostawiając chemiczne ślady. Inne mrówki podążą tą feromonową ścieżką odnawiając ją za każdym razem, kiedy uda im się wrócić z jedzeniem. Kiedy źródło pokarmu zostanie wyczerpane, wracając, mrówki przestaną oznaczać drogę. Ślady wywietrzeją i mrówki nie będą już zainteresowane tym terenem. Te, zdawałoby się, prymitywne metody szukania i zdobywania pokarmu są na tyle użyteczne, że zostały wykorzystane w modelach komputerowych do uzyskiwania optymalnych rozwiązań ze zdecentralizowanych elementów, działających losowo i wymieniających proste informacje. Ma to wiele zastosowań teoretycznych i praktycznych, od rozwiązania słynnego problemu komiwojażera przez programowanie zadań obliczeniowych i ulepszanie wyszukiwań internetowych, do umożliwiania grupom robotów przeszukiwania pól minowych lub płonących budynków bez centralnej kontroli. Można obserwować ten fascynująco prosty, choć efektywny proces bezpośrednio dzięki prostym eksperymentom, pozwalając mrówkom wejść do pustych przestrzeni różnych rozmiarów i obserwując ich zachowanie. Może mrówki nie mogą głosować, naradzać się czy planować, ale my możemy się uczyć ze sposobu w jaki te proste stworzenia umieją efektywnie funkcjonować w tak złożony sposób.