Муравьи изобрели МУРАВНЕТ раньше, чем люди – ИНТЕРНЕТ
Статья опубликована в авторской редакции (или переводе).
Эколог Дебора М. Гордон выяснила, что муравьиные колонии могут успешно существовать без центрального управления, используя простые интеракции. В тяжелых условиях естественный отбор благоволит колониям, умеющим сохранять ресурсы. Исследования привели Дебору Гордон и ее стэнфордских коллег к открытию Муравнета, который регулирует процесс поиска пищи у муравьев точно так же, как интернет регулирует трафик информации. В интервью Wired в 2013 году она говорила: «Поведение насекомых, копирующее придуманные людьми сети, не самое интересное в сетях, созданных муравьями. Гораздо интереснее то, что создали муравьи и до чего пока не додумались люди». Последнее исследование Гордон называется «Как ведут себя муравьи в космосе?». Slon публикует собственный перевод лекции, прочитанной ею на платформе TED.
Я изучаю муравьев в пустынях, тропических лесах, в собственной кухне и на холмах Кремниевой долины, где живу. Недавно я поняла, что муравьи по-разному взаимодействуют в зависимости от окружающей среды. Я подумала – а что из этой информации можно извлечь для понимания других систем: мозга, сетей данных и даже рака?
Их роднит отсутствие единого контролирующего органа. Колония муравьев состоит из стерильных особей и муравьев, наделенных репродуктивной функцией, откладывающих яйца. Хоть их и называют королевами, никаких инструкций они никому не дают. В колонии муравьев нет лидера, и все регулируется с помощью простой системы взаимодействий. Муравьи используют запах. Пуская в ход свои антенны, они могут определить, например, живет ли другой муравей в том же муравейнике. Муравьи не передают какую-то сложную информацию. Все, что важно для них, – это периодичность, с которой они встречают сородичей. Взаимодействия образуют постоянно изменяющуюся сеть, которая и формирует поведение всей колонии. Например, сообщает, должны ли все спрятаться в муравейник или идти на поиски пищи. Мозг работает по схожим принципам, но что прекрасно в муравьях – можно сразу увидеть всю сеть в действии.
Существует более 12 тысяч видов муравьев, и тип их взаимодействия обусловливает среда обитания. Одно из главных препятствий, с которым сталкивается каждая система, – это операционные расходы, то, что необходимо для самой работы системы. Другая проблема – ресурсы, их поиск и добывание. В пустыне операционные расходы высоки, так как воды мало, и муравьи, которые едят семена, должны тратить воду, чтобы потом ее получить. Муравей, добывающий корм, ищет семена под палящим солнцем, теряя запасы воды. Но колония получает воду из жира поедаемых семян. В такой среде взаимодействие нужно для добывания еды. Отправляющийся за пищей муравей не выйдет до тех пор, пока не встретится с определенным количеством возвращающихся с добычей сородичей. Чем больше еды снаружи, тем быстрей муравьи найдут ее, быстрей вернутся и смогут отправить новую группу за прокормом. Система заработает в том случае, если почувствует позитивную отдачу.
Но есть вариации. В сухие дни муравьи некоторых колоний выбираются за едой меньше, поэтому между собой они различаются тем, как решают проблему расхода воды для поиска пищи и получения ее в форме семян.
Мы пытаемся понять, почему одни колонии отправляются за кормом реже других, представляя муравьев такими нейронами, используя модели, придуманные в неврологии. Как нейроны накапливают стимулы от других нейронов, чтобы решить, стоит ли действовать, муравей накапливает стимулы от других муравьев, чтобы решить, стоит ли отправляться за едой.
Мы ищем, есть ли какие-то различия между колониями в том, какое количество взаимодействий нужно каждому муравью, чтобы он решил от-правиться за едой.
Отсюда вопросы и о работе мозга. Каждый мозг отличается от другого, и, возможно, есть индивиды или какие-то условия, при которых электрические свойства нейрона таковы, что ему нужно больше стимулов, чтобы заработать, и именно это приводит к различиям в функционировании.
Для того чтобы задавать эволюционные вопросы, нам необходимо знать о репродуктивных успехах. Это карта местности, где я отслеживала популяцию муравьев-жнецов на протяжении 28 лет.
Приблизительно столько колония и живет. Каждый символ – колония, а диаметр круга зависит от количества «дочерних» колоний. Нам удалось использовать генетические вариации, чтобы сравнить родительскую колонию и дочернюю, определить, из какой родительской происходит королева каждой конкретной дочерней. С удивлением я узнала, что, например, колония 154, которую я наблюдала много лет, – прапрабабушка. На карте есть колонии королевы-дочери, королевы-внучки и королевы-правнучки. Выяснилось, что колонии-отпрыски похожи на родительские колонии в том, как они решают дилемму расхода воды. При этом колонии-отпрыски живут далеко от родительских и никогда не встречаются, что означает, что отпрыски не могли научиться такому поведению от родителей. Наш следующий шаг – найти ге-нетическую вариацию, ответственную за это сходство.
Потом я задалась вопросом: кому лучше живется?
В последние десять лет в Юго-Западной Америке была очень сильная засуха, и оказалось, что колонии, которые сохраняют воду и никуда не выходят, если на улице очень жарко, имеют больше шансов произвести на свет дочернюю колонию.
Все это время я думала, что колония 154 – неудачники, потому что в сухие дни они сидели дома, в то время как остальные добывали еду. Но на самом деле это образец успешной стратегии, колония-матриарх. 154-я – одна из немногих прапрабабушек, насколько я знаю, это первый случай, когда нам удалось отследить продолжающуюся эволюцию коллективного поведения в естественной популяции животных и выяснить, что для них лучше работает.
Интернет использует алгоритмы для регулирования потока информации, подобные тем, которые муравьи-жнецы используют для регулирования потока муравьев, отправляющихся за едой. Муравнет наступает. Информация не покидает компьютер-источник, пока не получает сигнала, что для нее есть достаточно широкий канал. В первые дни интернета, когда операционные расходы были высоки и очень важно было не потерять данные, система программировалась на взаимодействия для запуска потока информации. Интересно, что муравьи используют алгоритм, похожий на изобретенный нами совсем недавно. Но это лишь один из многих известных нам муравьиных алгоритмов. Для их совершенствования у муравьев было 130 миллионов лет, и, думаю, у остальных 12 тысяч видов тоже есть алгоритмы, о которых мы даже и не задумываемся.
Что происходит, когда операционные расходы падают? Расходы низки в тропиках, там очень влажно, и муравьям проще находиться снаружи. Но особей и колоний там так много, что растет и конкуренция. Какой бы ресурс ни использовал один вид, скорее всего, его в то же время использует и другой. В таких условиях цель взаимодействия противоположная. Система работает, пока не произойдет нечто негативное. Вид, который я изучала, бегает кругами в толпе добывающих еду муравьев от муравейника к источнику еды, пока не случится что-то нехорошее, например взаимодействие с муравьем другого вида. Вот пример муравьиной системы безопасности.
В середине муравей, загораживающий вход в муравейник собственной головой. Причина в том, что он столкнулся с представителем другого вида. Вокруг в панике бегают маленькие муравьи. Но как только опасность миновала, вход снова открывается. Может быть, есть ситуации в компьютерной безопасности, когда операционные расходы достаточно низкие и мы можем просто временно заблокировать доступ в ответ на сиюминутную угрозу, а потом открыть снова, а не строить firewall и цифровые крепости.
Следующая проблема, как я уже говорила, – ресурсы, их поиск и сбор. Для этого муравьи решили проблему коллективного поиска. Эта проблема сегодня представляет большой интерес для робототехники, потому что ученые поняли – чем посылать одного продвинутого и дорогого робота на другую планету или в горящее здание, эффективнее будет собрать группу дешевых роботов, обменивающихся минимальным количеством информации. Этим как раз и занимаются муравьи. Аргентинский муравей создает расширяемую поисковую сеть. Они хорошо решают главную проблему коллективного поиска – компромисс между дотошным исследованием местности и покрытием как можно большей территории. Когда на небольшом пространстве находится много муравьев, каждый из них имеет возможность внимательно изучить свой участок, но когда на большой территории муравьев мало, им приходится дробить ее более крупно, чтобы покрыть полностью. Думаю, они исполь-зуют интеракции, чтобы оценить плотность, поэтому, когда муравьев много, они чаще пересекаются и тщательнее ищут.
Разные виды муравьев используют разные алгоритмы, будучи приспособленными к поиску различных ресурсов. Для нас это знание может оказаться крайне полезным, поэтому недавно мы попросили муравьев решить проблему коллективного поиска в суровых условиях микрогравитации на Международной космической станции.
Оказалось, что там муравьи стараются держаться за стену или за потолок, а на взаимодействие у них не остается времени, поэтому связь между тем, как их много, и тем, как часто они пересекаются, нарушена. Пока мы анализируем эту информацию, и у нас нет определенных результатов. Но было бы интересно узнать, как другие виды решают эту проблему в разных условиях во всех уголках Земли. Поэтому мы придумали программу, чтобы приобщить детей по всему миру к подобным экспериментам с разными видами муравьев. Это довольно просто сделать, используя самые дешевые материалы. Таким образом мы могли бы составить всемирную карту алгоритмов коллективного поиска у муравьев. И я думаю, что инвазивные виды, проникающие в наши дома, будут очень хорошо справляться с этой задачей, ведь они очень уверенно чувствуют себя в вашей кухне, умеют отыскать воду и еду.
Самый знакомый ресурс для муравья – кластерный, это пикник. Когда есть один фрукт, скорее всего, поблизости окажется и еще один, а рядом и муравьи – профессионалы кластерных ресурсов, использующие интеракции для рекрутирования, созыва сородичей туда, где обнаруживается еда. Когда один муравей встречает другого или химикат, оставленный на земле другим муравьем, он меняет направление движения, чтобы следовать в сторону произошедшей интеракции. Вот каким образом появляется след муравьев, делящихся друг с другом вашим пикником.
Я думаю, что муравьям есть что рассказать нам и о раке. Очевидно, что мы можем предотвратить распространение рака, запретив людям сбывать токсины, которые вызывают рак в нашем теле, но тут муравьи не помощники, потому что они свои колонии сами не травят. Но мы можем поучиться у них тому, как лечить рак. Каждый вид рака сначала завоевывает определенную часть тела, а потом распространяется на другие ткани, где злокачественные клетки получают нужные им ресурсы.
Если взглянуть на ранние метастазы в тот момент, когда они ищут ресурсы, и если эти ресурсы кластерные, они, вполне вероятно, будут использовать интеракции для рекрутирования. Если бы нам удалось понять, как рекрутируют раковые клетки, то мы, возможно, смогли бы расставить ловушки, чтобы поймать их, прежде чем они начнут разрастаться.
Используя только простые интеракции, не имея централизованного управления, колониям муравьев удается выполнять удивительные задачи на протяжении 130 миллионов лет. У них многому можно поучиться.
Статья опубликована в авторской редакции (или переводе).

Источник: http://slon.ru/calendar/event/1101435/
(Никита Марков)

Изображения: