От хаоса к порядку: как муравьи оптимизируют поиск пищи

Муравьи способны к сложным стратегиям решения задач, которые можно широко применять как методы оптимизации. Биологи выяснили, что отдельный муравей, ищущий пищу, движется случайным образом. Однако коллективное пищедобывающее поведение муравьиной колонии выходит далеко за эти рамки, как показывает математическое исследование, которое будет опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences: движения животных в определённый момент меняются от хаоса к порядку. Это происходит удивительно эффективным самоорганизующимся способом. Понимание поведения муравьёв может помочь анализировать схожие явления — например, то, как люди перемещаются в интернете.

Оставляя пахучий след

Китайско-германская исследовательская группа перевела в уравнения и алгоритмы практически всё, что известно о фуражировке муравьёв, и загрузила это в компьютеры. Они предполагают, что в сложных движениях колонии по поиску пищи есть три стадии:

1. Разведчики изначально движутся вокруг гнезда, казалось бы, хаотично. Устав, они возвращаются в гнездо, чтобы поесть и отдохнуть.
2. Когда один из них находит пищу в окрестностях колонии, он относит её маленький кусочек в гнездо, оставляя за собой след пахучего вещества — феромонов.
3. Другие муравьи следуют по этому следу, чтобы найти пищу и принести её часть домой. Их координация сначала слаба из-за малого количества феромона на тропе. Из-за их большого числа муравьи пробуют много разных путей к источнику пищи и обратно, снова оставляя пахучие следы.

Это в конечном итоге приводит к оптимизации пути: поскольку феромоны испаряются, запах сильнее на более короткой тропе — поэтому больше муравьёв следует по самому короткому пути, снова оставляя пахучие метки. Это создаёт самоусиливающийся эффект эффективности — муравьи тратят гораздо меньше времени и энергии, чем при продолжении хаотичных поисков.

Важно, что исследователи обнаружили: опыт отдельных муравьёв влияет на успех фуражировки. Старые муравьи лучше знают окрестности гнезда. Поиск пищи молодыми муравьями — это скорее процесс обучения, чем эффективный вклад в разведку.

«Высокоэффективная сложная сеть»

«Хотя отдельный муравей, конечно, не умен, коллектив действует так, что я склонен назвать это разумным», — говорит соавтор Юрген Куртс. «Принцип самоорганизации известен, например, у косяков рыб, но именно наличие дома, куда нужно вернуться, делает муравьёв такими интересными».

Исследование представляет фундаментальный интерес для понимания закономерностей нелинейных явлений. «Муравьи коллективно формируют высокоэффективную сложную сеть», — объясняет Куртс. — «И такое мы находим во многих природных и социальных системах».

Математическая модель, разработанная при изучении муравьёв, применима не только к другим животным, у которых есть дом (например, альбатросам), но и даёт новую перспективу для анализа поведенческих паттернов людей в таких разных областях, как эволюция веб-сервисов и интеллектуальные транспортные системы.