«Антернет» и другие алгоритмы выживания

Некоторые технологии, которые мы используем сегодня и считаем плодами человеческого прогресса, в дикой природе появились очень давно. Например, эхолокацию, применяемую в ультразвуковых датчиках, мы подсмотрели у летучих мышей. А муравьям, оказывается, уже несколько миллионов лет известен алгоритм, лежащий в основе Интернета. 

Речь о протоколе TCP/IP, который управляет трафиком данных в глобальной сети. Несмотря на всю сложность сетевой инфраструктуры, сам алгоритм прост и универсален, так что неудивительно, что он работает в совершенно разных областях нашего мироздания. В чем же его суть? Представьте два компьютера, между которыми осуществляется передача данных. Перед тем как компьютер А отправит информацию компьютеру Б, он разбивает ее на пакеты. Отправка происходит порциями. Если первая порция дошла в целости и сохранности, Б отправляет А отчет о том, что все хорошо и можно отправлять следующую порцию. 

Иногда канал передачи бывает перегружен, и пакеты отправляются медленно, а то и вовсе не доходят до Б. Поэтому, чтобы понять пропускную способность канала (то есть насколько он «забит»), компьютер А сначала посылает очень большую порцию пакетов, и если все они доходят до Б, то интенсивность отправки не уменьшается. Если же не доходят или идут очень медленно, то отправка либо приостанавливается, либо происходит с меньшей интенсивностью. 

Сегодня этот механизм делает Интернет самой надежной системой передачи данных. Сложно представить себе эмоции Винт Серфа и Боба Кана, придумавших этот алгоритм, когда они испытали его и осознали масштаб своего открытия. Еще сложнее вообразить, что бы они почувствовали, узнав, что их изобретение давно пользуется популярностью у муравьев. 

Нет, конечно, муравейник – это не хостинг, а муравьи не сидят в Фейсбуке. Однако то, как они организуют поиск пищи, в точности соответствует вышеописанному алгоритму. Впервые обратил на это внимание специалист в области компьютерных наук Баладжи Прабхакар, которого коллеги-биологи из Стэнфордского университета попросили как-то систематизировать годами накопленные данные наблюдений за муравьями вида Pogonomyrmex barbatus. Его поразило, насколько слаженно и бесперебойно работает их система доставки еды. 

Сначала на поиск отправляется много разведчиков, охватывающих максимально большую территорию. Ни один из них не может вернуться в родной муравейник с пустыми лапами, поэтому прочесывают территорию они до тех пор, пока не найдут еду. Прабхакару такая организация напомнила то, как между двумя компьютерами определяется пропускная способность канала связи. Далее, когда разведчики возвращаются с добычей, по их следам отправляются фуражиры, которые знают, что раз их соратники вернулись с едой, то наверняка там осталось еще. Если же вернулось мало разведчиков, то и фуражиров отправится мало. А если через 20 минут не вернулся никто, то и никто из фуражиров не покинет муравейник. В телекоммуникации такое прекращение передачи пакетов называется time-out: если сообщения об успешной доставке от принимающего компьютера долго не приходят, то передача по этому каналу на время приостанавливается. 

Углубившись в детали своего открытия, профессор Баладжи Прабхакар обнаружил и другие свойства алгоритма, встречающиеся как в нашем, так и в муравьином Интернете. В итоге он не смог не пошутить: кто бы мог подумать, что у муравьев есть свой «антернет» («ant» – муравей)! 

Молчаливые трудяги: свои мегапроекты муравьи реализуют не сговариваясь 

Механизм поиска пищи – далеко не единственный алгоритм, который используют муравьи. При детальном рассмотрении их поведения кажется, что вообще все их действия и вся жизнь регулируются какими-то заранее написанными схемами, а отдельный муравей не в силах изменить ход событий и может только реагировать на ситуацию, подчиняясь конкретному шаблону. Многие эксперименты последних лет подтверждают именно такую точку зрения. 

В январе этого года в издательстве Лондонского королевского общества вышло исследование, «разоблачающее» давно сложившееся мнение о том, что муравьи координируют свою работу во время постройки сложных объектов (крупные магистрали, живые мосты, башни для спасения от наводнений и т. д.). Считалось, что они по аналогии с людьми распределяют обязанности, назначая одного, например, сборщиком мусора, а другого – носильщиком строительного материала. Однако, как показали исследования, муравьи не только не координируют свою работу, но и вообще стараются не общаться друг с другом. Каждое действие отдельно взятого муравья – это реакция на поведение окружающих его сородичей. Кто хоть раз в жизни внимательно рассматривал муравейник, мог заметить, что один возбужденный, быстро двигающийся муравей моментально «заражает» своей активностью остальных, заставляя их так же энергично куда-то бежать. Примерно так и устроен муравьиный рабочий процесс: если один трудяга увидит на своем пути препятствие в виде упавшего листа, он тут же будет стараться убрать его с дороги, пробегающие мимо товарищи обязательно захотят поучаствовать и помогут ему. При этом никто из них не будет оставлять никаких феромонных следов с «инструкциями» для других муравьев о том, что и куда нужно тащить. Иных видов прямой или косвенной коммуникации исследователями также не было замечено. 

Биологи заключили, что, сохраняя молчание, муравьи просто экономят энергию, необходимую для более приоритетных задач строительства. А набора «вшитых» в них природой реакций на различные ситуации вполне достаточно для возведения сложных построек. Другими словами: нет необходимости общаться – не надо!

Вынужденная арифметика: как математика помогает в поисках пищи 

То, что люди и муравьи независимо друг от друга изобрели Интернет, – не случайность. Похоже, в природе действительно существуют универсальные законы поведения и коммуникации, используемые как человеком, так и животными. Очередное подтверждение этому обнаружили в 2011 году сибирские ученые Жанна Резникова и Борис Рябко. Они показали, что муравьи, во-первых, умеют считать, а во-вторых, делают это по той же логике, по которой устроены римские цифры.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПРОВОДИЛСЯ на колонии муравьев, которые питались из кормушки в виде расчески. Из 60 зубьев пища находилась только на одном. Когда муравьи-разведчики выходили на поиск еды, то запоминали, на каком из зубьев им улыбнулась удача в виде сахарного сиропа. Экспериментаторы следили за временем, которое потребуется разведчикам, чтобы сообщить о нахождении еды фуражирам. А для них эта информация была на вес золота, так как в ходе эксперимента «расчески» постоянно подменяли на новые, чтобы фуражиры не смогли ориентироваться по пахучему следу. Выяснилось, что чем дальше от края кормушки находился источник пищи, тем больше времени разведчикам нужно для переговоров с фуражирами. Это говорит о том, что муравьи каким-то образом кодируют количество зубьев и говорят что-то типа: «Сначала проходишь один, потом второй, третий, четвертый, а на пятом найдешь еду». 

Но могут ли они сразу сказать «на пятом», не перечисляя долгую последовательность предшествующих чисел? Оказывается, могут, но для этого их нужно сначала немного натренировать, чему и была посвящена вторая часть эксперимента. Корм размещали хаотично на разных зубьях, но на некоторых чаще всего. Эти «счастливые» зубья муравьи запоминали. Если одним таким зубцом оказывался, например, десятый, а корм находился на 13-м, то разведчики говорили: «Идешь до того самого десятого плюс еще один, потом следующий и последний». Такой вывод ученые сделали, заметив, что информацию о «счастливых» зубцах подопытные передают быстрее, чем об обычных. Это действительно напоминает то, как устроены римские цифры, где цифра 13 также обозначена как Х + III. 

Там, где процессы можно оптимизировать, муравьи это делают. Длинную последовательность чисел они могут закодировать в один символ. И если при постройке магистралей общаться им не обязательно, то в определенных случаях коммуникация – единственный способ добыть пищу и выжить. 

Осознанный взгляд: муравьи видят себя в зеркале 

Итак, при нормальных условиях муравьи, не желая растрачивать энергию на болтовню, действуют молча и стандартно реагируют на те или иные ситуации. Решая некоторые задачи, они могут общаться посредством символов, что говорит о зачатках абстрактного мышления. А что насчет сознания? Может ли муравей отличить себя от других и понять, что он это он? Пока не ясно, как там с осознанностью, но в зеркале распознать себя он может. 

Зеркальный тест – основной индикатор, указывающий на наличие самосознания у животных. Перед началом теста на испытуемого наносится отметка, которую тот способен увидеть только в зеркале (например, на лбу). Пройденным тест считается, когда животное, заметив отметку, пытается прикоснуться к ней, смотря в зеркало и совершая характерные движения. На сегодняшний день тест не завалили только некоторые виды млекопитающих, сороки и гигантские морские дьяволы. Среди насекомых – только муравьи. 

Перед началом теста переднюю часть их головы помечали голубой краской. Увидев отметку в зеркале, муравьи тут же пытались стереть ее передними ножками. При этом, когда их красили коричневой краской, сливающейся с их собственным цветом, признаков дискомфорта они не демонстрировали, продолжая увлеченно рассматривать свое отражение и пытаться дотронуться до него своими челюстями. 

Биологи из Брюссельского свободного университета показали, что такая обеспокоенность своим внешним видом – не дань эстетическим идеалам. Дело в том, что муравьев с краской на голове сородичи не воспринимают как часть семьи и могут вступить с ними в схватку. Поэтому, чтобы не провоцировать своих не очень толерантных собратьев, муравьи и приводят себя в порядок. 

Получается, что у муравьев есть представление о том, как должен выглядеть среднестатистический представитель семейства. Это тоже абстрактное знание, и приходит оно не с рождения: в самом начале жизни муравья распознавание на уровне свой-чужой происходит по запаху феромонов. Позднее, когда к этому запаху прикрепляется определенный часто встречаемый облик собратьев, возникает образ «правильного» члена семьи. Но и не только его. На протяжении своей жизни, помимо сородичей, муравей встречает листья, ветки, гусениц, птиц и звезды. Поэтому у него есть образ целого мира. И даже отдельное место в нем для представления о себе.