Коллективная мудрость муравьёв

Муравьиные колонии живут без какого-либо централизованного управления. Выяснив, как им это удается, мы сможем понять и работу других систем, функционирующих без «указок сверху», – от головного мозга до Интернета. В колонии муравьев нет лидера. Насекомые регулируют свою активность с помощью простых взаимодействий, основанных на обонянии. Используемая колонией система взаимодействий тесно связана с экологией. Понимание коллективного поведения муравьев может пролить свет на организацию других систем, работающих без централизованного контроля.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Хэнк Пим, главный герой американского блокбастера «Человек-муравей», вышедшего на экраны летом 2015 г., изобретает костюм, способный уменьшать человека до размеров насекомого. В одном из эпизодов фильма ученый замечает, что хотя муравьи и способны на великие свершения, им нужен лидер, который подсказывал бы им, что нужно делать. За ухом у Пима находится маленький прибор, позволяющий ему отдавать муравьям соответствующие команды и заставлять их действовать как дружное войско агрессоров. В конце концов насекомые помогают другому герою фильма, уменьшившемуся до размеров муравья, победить зло и предотвратить страшную катастрофу.

Мысль, что у муравьев есть «командиры», вырабатывающие программы действий и руководящие поведением своих подчиненных, находит у зрителя вполне понятный отклик — ведь именно иерархический принцип лежит в основе деятельности большинства человеческих институтов и организаций. Есть лишь одна маленькая загвоздка: в случае муравьев он не работает. Муравьи никогда не маршируют строевым шагом, объединенные в единую безропотную команду и готовые подчиняться малейшему жесту вожака. В реальном мире зачастую случайные и на первый взгляд бессмысленные действия отдельных насекомых, не имеющих никакого представления об общей цели, удивительным образом сочетаются воедино, позволяя муравьиным колониям отыскивать и добывать корм, сооружать гнезда, прокладывать тропы и наводить мосты, защищать свои кормовые растения от травоядных животных и разводить сады. И все это без какого-либо контроля, надсмотра и «указок сверху». Лидеры муравьям не нужны, и они никогда не «указывают» друг другу, что нужно делать.

Муравьиные колонии — далеко не единственные природные системы, функционирующие без какого-либо центрального контроля. Коллективное поведение без инструктажа сверху встречается в природе на каждом шагу — от кружащих в небе скворчиных стай до нейронных сетей в головном мозге, позволяющих вам читать эти строки. Все многообразие результатов коллективного поведения достигается за счет простого взаимодействия отдельных исполнителей — будь то муравьи, птицы или нейроны.

Когда в аспирантуре я занялась изучением систем, функционирующих без централизованного управления, я хотела отыскать такую систему, в которой было бы легко отслеживать взаимодействия между составляющими ее элементами. Муравьи подходили как нельзя лучше. Известно более 14 тыс. видов этих насекомых, населяющих почти все наземные местообитания планеты. Они устраивают свои гнезда в почве, полых стволах и ветках деревьев, под камнями и среди листвы в высоком лесном пологе и сильно различаются характером диеты (от цветочного нектара и грибов до мелких беспозвоночных). Все виды муравьев обнаруживают коллективное (социальное) поведение и дают отличную возможность для изучения его возникновения и эволюции в качестве инструмента, позволяющего решать различные экологические проблемы, с которыми сталкиваются муравьиные колонии.

Мои исследования нескольких видов муравьев в различных экологических условиях (от пустынь до тропических дождевых лесов) показывают, что все они используют взаимодействия по-разному (например, для того чтобы стимулировать свою активность, ослабить ее или просто обеспечить ее продолжение). Эти факты ­свидетельствуют о тесной связи между экологической ситуацией и тем, как муравьи с помощью простых взаимодействий приноравливают к ней коллективное поведение. Вероятно, в различных биологических системах без централизованного контроля эволюция могла вырабатывать сходные алгоритмы для решения сходных экологических проблем.

Простые взаимодействия

Всем видам муравьев свойствен ряд общих признаков. Среди них и сходство, обнаруживаемое ими при выполнении своих социальных обязанностей. Эти насекомые живут большими семейными колониями, состоящими из многочисленных стерильных рабочих самок (именно такие муравьи снуют под ногами в лесу или саду) и одной или нескольких фертильных самок, проводящих все время внутри гнезда. Хотя этих плодовитых самок биологи и называют царицами, они не обладают никакой политической властью: их единственная задача — откладывание яиц. Ни царица, ни какой-либо иной муравей не в состоянии оценить, что нужно делать в той или иной ситуации, и никто из них не повелевает сородичами. Кроме того, все муравьи обладают необычайно острым обонянием и способны распознавать сотни запахов. Они делают это с помощью антенн (усиков). Касаясь сородича антеннами, муравей оценивает запах его восковидной наружной оболочки (эпикутикулы), состоящей из так называемых кутикулярных углеводородов и предохраняющей насекомых от высыхания. Известно, что у некоторых видов муравьев химия кутикулярных углеводородов соответствует условиям окружающей среды. Вот почему муравьи, собирающие корм под лучами палящего пустынного солнца, пахнут иначе, чем муравьи, проводящие большую часть времени в гнезде. В результате запах муравья отражает выполняемые им задачи.

Для изучения антеннальных контактов муравьев Майкл Грин (Michael Greene) из Колорадского университета в Денвере и я провели серию опытов, в которых мы обмазывали маленькие стеклянные бусины экстрактами кутикулярных углеводородов муравьев, выполнявших те или иные задачи, а затем помещали бусины внутрь муравьиных гнезд. Мы обнаружили, что, когда муравей дотрагивается антеннами до сородича, вся информация, которую он получает, сводится к простому сигналу, что он встретил муравья, обладающего определенным запахом. Похоже, что ключевой фактор, определяющий характер реакции насекомого, — частота взаимодействий. В своих опытах нам удалось вызвать модификации в поведении колонии путем изменения частоты столкновений муравьев со стеклянными бусинами.

Каким же образом муравьиные колонии организуют свою жизнь лишь с помощью простых обонятельных взаимодействий? Последние 30 лет я занимаюсь изучением муравьев-жнецов на юго-западе США. Похоже, что у них главной движущей силой эволюции процесса, регулирующего фуражировку с помощью взаимодействий, была необходимость запасать воду. Муравьи-жнецы питаются семенами злаков и однолетних растений, обеспечивающих их колонии и пищей, и водой. Но чтобы получить воду, колония вынуждена и расходовать ее. Муравьи-фуражиры теряют воду в результате испарения, бегая снаружи гнезда в поисках семян. Фуражир, собирающийся на поиск корма, не покидает гнезда до тех пор, пока не встретится с достаточным числом фуражиров, возвращающихся в гнездо с пищей. Поскольку каждый фуражир ведет поиск корма до тех пор, пока не найдет его, возвращающиеся фуражиры опосредуют обратную связь между количеством пищи и фуражировочной активностью колонии: чем больше снаружи доступной пищи, тем короче время ее поиска, тем быстрее фуражиры возвращаются в гнездо и тем больше новых фуражиров отправляются на добычу корма.

Мои многолетние исследования муравьев-жнецов проливают свет на формирование их коллективного поведения в ходе эволюции. Чтобы понять, как естественный отбор действует на этот процесс в настоящее время, нужно было выяснить, влияет ли способ, с помощью которого муравьиная колония регулирует свою фуражировочную активность, на ее способность образовывать дочерние колонии. А для этого первым делом мы должны были узнать, какие родительские колонии дали начало тем или иным дочерним колониям. Прежде данный аспект жизни муравьев вообще не изучался. Начиная с 1985 г. я провела наблюдения примерно за 300 колониями муравьев, находившимися в одном из мест на юго-востоке Аризоны. Из года в год я отыскиваю все муравейники, которые посещала в предшествующие годы, прощаюсь с вымершими колониями и отмечаю на карте вновь возникшие. Мои многолетние наблюдения показывают, что срок жизни колонии составляет в среднем 25–30 лет. Каждый год из всех колоний изучаемой мной популяции выползают и поднимаются в воздух для спаривания молодые плодовитые самки и самцы. После спаривания самцы погибают, а оплодотворенные самки разлетаются в разные стороны и основывают новые колонии. Каждая из них производит на свет новое поколение стерильных рабочих особей, а когда колония разрастается — плодовитых самок (будущих цариц) и самцов; из года в год и до конца жизни она использует при этом сперматозоиды, полученные во время своего первого и последнего брачного полета. Анализ ДНК муравьев из 250 колоний позволил Кристе Ингрэм (Krista Ingram) из Колгейтского университета, Анне Пилко (Anna Pilko) из Калифорнийского университета в Сан-Диего и мне проследить родственные связи между молодыми и старыми муравейниками и благодаря этому выяснить связь между фуражировочной активностью той или иной колонии и ее репродуктивным успехом.

Мы обнаружили, что муравейники, давшие начало дочерним колониям, имели обыкновение экономить воду за счет сокращения фуражировки в жаркие засушливые дни, тем самым жертвуя кормежкой ради сбережения влаги. Этот факт вызвал у нас удивление, поскольку, согласно данным многочисленных исследований, чем больше пищи потребляют животные, тем лучше. Но как раз те колонии, которые я годами считала слабыми и ни на что не годными, и оказались супербабушками и прабабушками, в то время как большинство «звездных» муравейников, каждый день исправно занимавшихся фуражировкой, дочерних колоний не образовывали.

Поскольку естественный отбор сохраняет и закрепляет признаки, которые могут передаваться от родителей потомству, мы получили любопытное свидетельство о наследуемости коллективного поведения у муравьев-жнецов: дочерние колонии обычно сокращают фуражировку в те же самые дни, что и давшие им начало родительские муравейники. Таким образом, наши данные, насколько мне известно, — первое доказательство протекающей в наши дни эволюции коллективного поведения в дикой популяции животных.

Экологические решения

Сравнение разных видов муравьев указывает на существование тесной связи между режимом взаимодействий, используемым тем или иным видом этих насекомых, и его экологией. Помимо муравьев-жнецов я изучала черепашьих муравьев, или цефалотесов (Cephalotes sp.), живущих на деревьях в тропических лесах Западной Мексики. Поскольку воздух в тропиках влажный, а пищи в изобилии, сокращать фуражировку ради экономии воды насекомым здесь не нужно. Но в тропиках крайне остра пищевая конкуренция: кроме цефалотесов те же самые источники пищи используют многие другие виды муравьев. Я обнаружила, что колонии черепашьих муравьев прокладывают на деревьях фуражировочные тропы, по которым насекомые непрестанно перемещаются от одного гнезда или источника пищи к другому. В отличие от жнецов цефалотесов могут заставить прекратить или приостановить фуражировочную активность только взаимодействия с муравьями другого вида. Один-единственный расхаживающий по ветке муравей Pseudomyrmex, стройный и строгий, как спортивный автомобиль, в состоянии полностью остановить перемещение по этой части тропы более плотно сложенных, но менее агрессивных черепашьих муравьев.

Колония черепашьих муравьев создает сеть фуражировочных троп в густом переплетении растительности лесного полога с помощью простых взаимодействий между ее членами. Такие взаимодействия делают фуражировочную сеть необычайно прочной и в то же время эластичной. Каждый муравей перемещается по тропе, ориентируясь по запаху прошедших здесь до него сородичей, и тоже маркирует свой маршрут следовым феромоном. Сакет Навлакха (Saket Navlakha) из Института биологических исследований Солка и я пытаемся понять алгоритм, используемый муравьями для поддержания и «ремонта» своих троп и сетей. Достигнув места стыковки двух веток или стеблей, муравей, как правило, выбирает для дальнейшего перемещения тропу с наиболее сильным запахом следового феромона, т.е. дорожку, по которой меньшее время назад прошло большее число его сородичей. Нередко порыв ветра, пробежавшая ящерица, гниение древесины, а иногда и экспериментальное вмешательство моих ножниц приводили к обрушению таких шатких мостиков между ветками или стеблями. Муравьев, однако, эти события обескураживали ненадолго. Достигнув «обрыва», насекомые поворачивали вспять, бежали к следующему доступному «пересадочному узлу», принимались отыскивать здесь феромонные следы и в конце концов прокладывали новую дорожку, соединяющую две части разорванной старой тропы.

У муравьев коллективное поведение возникло как реакция на характер распределения жизненных ресурсов (например, пищи) в окружающей среде, энергетические затраты на фуражировку и поведение других видов муравьев, с которыми им приходилось сталкиваться. Одни ­жизненные ресурсы плотно сосредоточены на небольших площадях, другие беспорядочно разбросаны по большим территориям. Многие виды муравьев мастерски осваивают ресурсы, сосредоточенные на маленьких клочках земли, — например, остатки пищи на месте пикника. Они используют основанные на феромонах взаимодействия, когда насекомые следуют друг за другом, создавая так называемую вербовочную тропу. Вербовка (рекрутирование) оправданна только в том случае, если пищевой ресурс компактен, — в конце концов, там, где валяются остатки сэндвичей, можно поискать и крошки печенья. Напротив, муравьи, фуражирующие рассредоточенные пищевые ресурсы (например, семена), не пользуются вербовочными тропами — ведь находка одного семечка совсем не гарантирует, что рядом можно найти еще одно.

Специализированного коллективного поведения требует и поиск корма. Поскольку муравьи руководствуются при этом главным образом обонянием, чтобы обнаружить пищу, насекомое должно оказаться от нее достаточно близко. Чем шире «ассортимент» мест, где может быть пища, тем большую площадь должны обследовать муравьи. С другой стороны, чем разнообразнее места, где она может быть спрятана, тем тщательнее фуражиры должны прочесывать землю. Я обнаружила, что аргентинские муравьи блестяще решают эту дилемму, прокладывая свои фуражировочные тропы в соответствии с плотностью сородичей. Когда на небольшом клочке земли рыскают несколько муравьев, каждое насекомое перемещается по извилистой траектории, что позволяет ему более обстоятельно обследовать землю. Но когда несколько муравьев бегают по обширному участку земли, они пользуются главным образом прямыми тропами, что дает всей этой группе насекомых охватить поисками значительную площадь. Плотность сородичей муравьи оценивают с помощью простой подсказки — частоты взаимодействий с другими муравьями. Чем больше антеннальных контактов они совершают, тем извилистее маршрут их передвижения. Аргентинские муравьи заселили все регионы планеты со средиземноморским климатом. И не исключено, что одерживать верх в конкурентной борьбе с местными муравьями этому инвазивному виду в первую очередь помогает его способность быстро осваивать новые кормовые ресурсы.

Муравьиные уроки

Изучение способов, с помощью которых муравьи используют простые взаимодействия для выживания в разнообразных средах, может пригодиться для решения проблем, возникающих при работе других систем. Специалист по компьютерным сетям Баладжи Прабхакар (Balaji Prabhakar) из Стэнфордского университета и я заметили, что алгоритм, используемый муравьями-жнецами для регуляции фуражировки, напоминает TCP/IP — один из основных протоколов Интернета, предназначенный для управления передачей данных. Мы назвали этот муравьиный аналог Anternet (от англ. ant — «муравей»). TCP/IP разрабатывался в среде с высокими эксплуатационными затратами: на заре своего возникновения Интернет был настолько мал, что располагал даже небольшой функциональной избыточностью; решающим требованием была гарантия, что не будет утерян ни один пакет данных. Подобно тому, как муравей-фуражир никогда не покинет гнездо и не отправится на фуражировку до тех пор, пока не осуществит достаточное число взаимодействий с сородичами-фуражирами, возвратившимися в муравейник с кормом, пакет данных не покинет исходный компьютер до тех пор, пока не получит подтверждения от маршрутизатора (роутера), что предыдущему пакету данных была обеспечена надлежащая полоса пропускания для достижения пункта назначения. Похоже, что за 130 млн лет своей эволюции муравьи выработали и многие другие полезные алгоритмы, о которых люди пока даже не задумывались и которые, возможно, помогут нам значительно усовершенствовать существующие сети передачи данных.

Взрыв интереса к коллективному поведению, основанному на простых взаимодействиях, отмечается сегодня в самых разных областях биологии и техники. Становится все очевиднее, что такие взаимодействия особенно функциональны в изменяющихся условиях. Системная биология, опираясь на вековой опыт исследований внутриклеточных процессов, сегодня все больше интересуется межклеточными взаимодействиями, чему немало способствовали замечательные достижения в разработке методов визуализации. Так, в нейробиологии эти методы позволяют воочию наблюдать за импульсной активностью тысяч нейронов. Успешно развиваются и разнообразные технические системы. Фантастическое разрастание Интернета и увеличение многообразия подключаемых к нему устройств, а также головокружительные скорости взаимодействий требуют новых, децентрализованных решений.

Сегодня ученые только приступают к изучению вопроса, каким образом обитателям различных природных систем удалось выработать сходное коллективное поведение для решения сходных экологических проблем. Не исключено, что мы сможем применить эти знания для вмешательства в процессы, осуществляющиеся без центрального контроля, — и решить с их помощью некоторые проблемы современного общества.


Перевод: В.В. Свечников

Автор: Дебора Гордон (Deborah M. Gordon) — биолог, работает в Стэнфордском университете. Изучает коллективное поведение муравьев.

10.04.2016

Опубликовано в: Журнал «В мире науки»

Скачать: spkurdyumov.ru/uploads/2016/04/kollektivnaya-mudrost-muravev.pdf

Источник: spkurdyumov.ru/magazine/kollektivnaya-mudrost-muravev/



Коллектив


Коммуна