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.
Подумайте обо всём, что должно происходить для процветания человеческого поселения: производство пищи, строительство жилищ, воспитание детей и так далее. Нужно найти способ распределения ресуров, организации основных усилий и эффективного разделения труда. А теперь представьте решение этих задач безо всякого планирования или высокоуровневых коммуникаций. Добро пожаловать в муравьиную колонию. Муравьи обладают одной из самых сложных социальных организаций в царстве животных, живя упорядоченными колониями, состоящими из членов разных классов, выполняющих конкретные роли. Несмотря на сходства с человеческими обществами, такая организация является не результатом высокоуровневых решений, а частью биологически запрограммированного цикла. У многих видов все крылатые самцы и крылатые девы-матки изо всех ближайших колоний населения оставляют свои гнёзда и встречаются в центральном месте для спаривания, направляя друг друга к этому месту с помощью феромонов. После спаривания самцы умирают, а самки пытаются основать новую колонию. Те немногие, которым удаётся выжить, обоснуются в подходящем месте, сбрасывают крылья и начинают откладывать яйца, избирательно оплодотворяя их спермой, сохранённой после спаривания. Из оплодотворённых яиц вылупятся самки-рабочие, которые будут заботиться о матке и её яйцах. Они будут защищать колонию и добывать пищу, пока из неоплодотворённых яиц не вылупятся самцы, которые будут лишь дожидаться времени, когда они будут готовы покинуть гнездо и поучаствовать в размножении, запустив новый цикл. А как рабочие муравьи решают, что делать и когда? Вообще-то, они и не решают. Хотя у них и нет способов сознательной коммуникации, отдельные муравьи взаимодействуют друг с другом с помощью прикосновений, звуков и химических сигналов. Эти раздражители служат многим целям: от предупреждения остальных муравьёв, что один из них убит, до сообщения о том, что репродуктивная жизнь матки близка к завершению. Но одна из самых впечатляющих коллективных способностей колонии муравьёв — тщательно и эффективно исследовать огромные площади безо всякого заранее составленного плана. Большинство видов муравьёв видят немного или вовсе лишены зрения и могут обонять лишь ближайшие предметы. Сочетаясь с отсутствием у них высокоуровневой координации, всё это должно было сделать их негодными исследователями, но удивительно простым способом эти муравьи предельно увеличивают эффективность поисков — изменяют свои модели передвижения, основываясь на отдельных взаимодействиях. Когда два муравья встречаются, они чувствуют друг друга, соприкасаясь антеннами. Если на небольшой площади много муравьёв, таких встреч будет больше. Это заставит их двигаться более извилистыми, случайными путями, чтобы исследовать тщательнее. Но на бóльшей площади с меньшим количеством муравьёв, где встречи реже, они могут передвигаться по прямым линиям, чтобы охватить бóльшую поверхность. Исследуя окружающую среду таким способом, муравей может столкнуться с разными ситуациями: от угроз или врагов до новых мест гнездования. Некоторые виды обладают другой способностью, известной как «подкрепление». Когда одному из этих муравьёв удаётся найти еду, он возвращается с ней, помечая маршрут химическим запахом. Другие муравьи следуют этой феромонной тропой, обновляя её каждый раз, когда находят еду и возвращаются. Когда еда в том месте заканчивается, муравьи, возвращаясь, перестают помечать путь. Запах рассеивается, и муравьёв больше не привлекает этот маршрут. Эти кажущиеся грубыми способы поиска и возвращения на самом деле настолько практичны, что применяются в компьютерных моделях для поиска оптимальных решений децентрализованными элементами, работающими случайным образом и обменивающимися простой информацией. У этих методов есть различные теоретические и практические применения: от решения знаменитой задачи коммивояжёра, планирования компьютерных задач и оптимизации Интернет-поиска, до обеспечения обследования группами роботов минного поля или горящего здания без необходимости в центральном управлении. Вы можете сами понаблюдать за этими удивительно простыми, но эффективными процессами, проведя несколько простых опытов: запустите муравьёв в пустые пространства разных размеров и обратите внимание на их поведение. Пусть муравьи не могут голосовать, устраивать митинги или строить планы, но мы, люди, всё-таки можем чему-то научиться у этих простых созданий, исследуя их способность функционировать столь эффективно в таких сложных ситуациях.