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.
Pensem em tudo aquilo que é preciso acontecer para uma colónia humana vingar: obter alimento, construir abrigo, criar os filhos e muitas outras coisas. Tem de haver uma forma de dividir os recursos, organizar os principais esforços e distribuir o trabalho de forma eficiente. Agora imaginem ter de fazer isto sem qualquer espécie de planeamento ou nível de comunicação mais avançado. Bem-vindos à colónia de formigas. As formigas têm das organizações sociais mais complexas do reino animal, vivendo em colónias estruturadas que contêm diferentes tipos de membros que desempenham papéis específicos. Mas, embora pareça igual ao que acontece em algumas sociedades humanas, esta organização não surge de quaisquer decisões a nível superior, mas faz parte de um ciclo biologicamente programado. Em muitas espécies, todos os machos alados e as rainhas-virgens aladas de todas as colónias vizinhas da população saem dos respectivos ninhos e encontram-se num local central para acasalar, usando feromonas para se orientarem mutuamente para um local de acasalamento. Depois de acasalar, os machos morrem, enquanto as fêmeas tentam estabelecer uma nova colónia. As poucas que são bem sucedidas estabelecem-se num local adequado, perdem as asas e começam a pôr ovos, fertilizando alguns selectivamente com o esperma que armazenaram no acasalamento. Os ovos fertilizados crescem para serem fêmeas obreiras que cuidam da rainha e dos seus ovos. Irão então defender a colónia e procurar alimento, enquanto os ovos não fertilizados crescem para ser machos cujo único trabalho é esperar até estarem prontos a sair do ninho e reproduzir-se, começando novamente o ciclo. Então, como é que as obreiras decidem o que fazer e quando? Bem, na verdade não decidem. Ainda que haja métodos de comunicação intencional, as formigas individuais interagem umas com as outras através do tacto, do som e de sinais químicos. Estes estímulos servem para muitas coisas desde servir de alarme para outras formigas, se uma for morta, a assinalar quando uma rainha está a chegar ao fim da sua vida reprodutiva. Mas uma das capacidades colectivas mais impressionantes de uma colónia de formigas consiste em explorar grandes áreas de forma minuciosa e eficiente sem qualquer plano determinado. A maioria das espécies de formigas tem pouco ou nenhum sentido de visão e só consegue cheirar coisas que estejam próximas. Juntando a isto a sua falta de coordenação a um nível elevado, poderia parecer que são péssimas exploradoras, mas há uma forma surpreendentemente simples de as formigas maximizarem a sua eficiência de pesquisa; alterando os padrões de movimentos com base nas interacções individuais. Quando duas formigas se encontram, sentem a presença uma da outra tocando as antenas. Se houver muitas formigas numa área pequena, isto acontece mais vezes, o que faz com que respondam deslocando-se em caminhos mais retorcidos, aleatórios, para procurar mais minuciosamente. Mas numa área maior, com menos formigas, onde estes encontros acontecem menos vezes, podem andar em linha recta para cobrirem mais terreno. Enquanto explora o seu ambiente desta forma, uma formiga pode encontrar seja o que for, ameaças ou inimigos, ou locais alternativos para constituir o ninho. Algumas espécies têm outra capacidade conhecida como recrutamento. Quando uma destas formigas encontra comida por acaso, regressa com o alimento, marcando o caminho com um aroma químico. Outras formigas irão então seguir este trilho de feromonas, renovando-o de cada vez que conseguem encontrar alimento e regressar. Quando a comida nesse local se esgota, as formigas deixam de marcar o regresso. O aroma dissipa-se e as formigas deixam de ser atraídas para esse caminho. Estes métodos aparentemente toscos de pesquisa e obtenção de alimento são, na verdade, tão úteis que são aplicados em modelos informáticos para se obter soluções optimizadas de elementos descentralizados, trabalhando aleatoriamente e trocando informações simples. Isto tem muitas aplicações teóricas e práticas, desde resolver o famoso problema do caixeiro-viajante, a programar tarefas de informática e a optimizar as pesquisas na Internet, a permitir que grupos de robôs façam buscas num campo minado ou num edifício em chamas, colectivamente, sem nenhum controlo central. Mas podem observar directamente estes processos fascinantemente simples, mas eficazes, através de algumas experiências simples, permitindo às formigas entrar em espaços vazios de vários tamanhos e prestando atenção ao comportamento delas. As formigas podem não conseguir votar, ter reuniões, ou fazer quaisquer planos, mas nós, seres humanos, ainda podemos aprender alguma coisa com a forma como criaturas tão simples conseguem funcionar tão eficientemente de formas tão complexas.