Муравьи без лидера создают сверхэффективные сети
Исследование Сиднейского университета, опубликованное в Journal of the Royal Society Interface, показало, что муравьи способны соединять несколько точек кратчайшим возможным путём, создавая эффективные транспортные сети.
Работа также раскрыла процесс, с помощью которого муравьи решают задачи проектирования сетей без помощи лидера.
Доктор Таня Лэтти, ведущий автор из Школы биологических наук, заявила, что муравьи сначала прокладывают как можно больше троп, а затем сокращают их до наиболее эффективной конфигурации.
«Результаты проливают свет на то, как другие "простые" природные системы без лидеров или даже мозга — такие как грибы, слизевики и сосудистые системы млекопитающих — способны формировать эффективные сети. Это может помочь людям проектировать искусственные сети в ситуациях, где отсутствует централизованное управление», — сказала она.
Аргентинские муравьи (Linepithima humile) сталкиваются с той же дилеммой, что и транспортные инженеры. Поскольку более длинные тропы требуют больше феромонов для создания и поддержания, муравьи получают большую выгоду от строительства эффективных сетей с минимально возможной длиной пути.
Команда исследователей задалась вопросом: способны ли муравьи решить эту проблему эффективности сети, если у них нет лидера, планировщика или кого-либо с глобальным знанием всей среды? И если да, то как они это делают?
Эксперимент и результаты
Чтобы проверить, могут ли аргентинские муравьи создавать межгнёздные сети, минимизирующие длину троп, исследователи поставили перед ними задачу соединить три или четыре гнезда. Гнёзда размещались на пустой арене, и муравьи могли соединять их любым возможным способом.
Через два часа получившиеся сети сравнивали с компьютерными изображениями сетей, использующих кратчайшую длину пути. Для каждой задачи существовало только два «эффективных» решения:
- Минимальное остовное дерево — соединение гнёзд кратчайшим путём без добавления дополнительных узлов.
- Сеть Штейнера — использование добавленных узлов (хабов) для соединения гнёзд по абсолютно кратчайшему пути. Это самое сложное, но и самое эффективное решение.
Через два часа муравьи создали сети, близко напоминающие оба эффективных решения. Они часто создавали сложные сети Штейнера, добавляя центральный хаб в случае трёх гнёзд и два центральных хаба — в случае четырёх.
Как они это делают?
Видеосъёмка процесса показала, что сети формируются методом проб и ошибок. Изначально муравьи строили неэффективные сети с множеством избыточных троп и тупиков. В течение следующих часов избыточные тропы постепенно исчезали, пока сеть не достигала своей окончательной, эффективной конфигурации.
«Даже если колония муравьёв ведёт себя разумно, сами муравьи — простые особи, следующие ещё более простым правилам. Понимание того, как простые организмы вроде муравьёв строят эффективные сети, может помочь в проектировании человеческих транспортных сетей», — заключила доктор Лэтти.