Знание-сила, 2009 № 03 (981)

Как муравей выбирает дорогу

Ал Бухбиндер

«Да, я московский муравей, и нет покоя мне…» — пел когда-то Окуджава, и был совершенно прав: муравьи и впрямь производят впечатление весьма обеспокоенных существ: бегают, суетятся, что-то ищут, поворачивают то сюда, то туда, и вроде бы все без толку. Так и хочется сказать — бестолковые создания; но потом видишь иной раз в лесу, как дорогу тебе пересекает процессия муравьев, и диву даешься: какая целеустремленность, какая организованность, какая слаженность действий! Кто их направляет, кто координирует эти массы? Как они находят себе дорогу?

И этот вопрос возникает не только по отношению к муравьям. Его вызывают наблюдения за любым сообществом социальных насекомых, будь то муравьи, или термиты, или пчелы, или осы. Слепые термиты, работая огромным коллективом, возводят виртуозные по внутренней конструкции постройки; осы, работая вместе или одна за другой, лепят сложнейшие гнезда из нажеванной бумажной пульпы; медоносные пчелы, собираясь перелететь на новое место, ведут себя как настоящая армия, план действий которой задал опытный полководец — высылают разведчиков, получают донесения, оценивают информацию и взлетают, как по приказу. Кто задает им этот план, кто «обдумывает» действия, кто отдает приказ?

Долгое время представления о сообществах таких социальных насекомых были антропоморфными. Считалось, что их сообщества являются иерархичными, вроде человеческих монархий, и в старину такие сообщества даже приводили в доказательство того, что сама природа предпочитает монархическое устройство. Впрочем, такие взгляды сохранились даже до недавнего времени.

В последние годы в этом вопросе произошли кардинальные, даже революционные изменения. Стало ясно, что в сообществах социальных насекомых нет ни «верховного координатора», ни заранее заданного плана, и более того — каждая отдельная особь «понятия не имеет» о своем сообществе в целом и действует лишь на основании весьма ограниченной и чисто локальной информации, имея к тому же весьма ограниченный набор «умений» (у рабочих муравьев, например, набор таких умений не превышает 20). А самые сложные на вид решения и планы, выполняемые сообществами таких особей, складываются не в чьей-то отдельной голове, а статистически, путем накопления то и дело меняющейся информации об их окружении.

Так, например, длительные исследования американского ученого Т. Сили и его коллег, более десяти лет подряд исследовавших процесс перелета колонии пчел на новое место жительства, привели к выводу, что в решении задачи выбора наиболее подходящего места принимает участие весь рой в целом, а сама задача решается благодаря сбору информации и оценки ее по методу «чувства кворума»: когда число разведчиков, сообщающих (с помощью танца) о высоком качестве того или иного места, достигает определенного уровня (то есть складывается кворум в пользу этого места), рой как целое поднимается в перелет. Эти исследования увенчались разработкой компьютерной модели действия роя, которая показала, что, принимая решение, пчелиный рой как целое работает, в сущности, подобно человеческому мозгу.

Вот почему сегодня ученые-этологи, занимающиеся поведением животных и насекомых, называют такие сообщества «организациями без организатора». Большинство этологов убеждено сегодня, что эти сообщества действуют бессознательно и тем не менее координировано.

Но как все-таки выглядит это «коллективное», «роевое мышление» конкретно? Как все-таки получается, что муравьи выбирают ту или иную дорогу, а осы строят именно такое гнездо, а не другое? Ответ на эти вопросы дали новые исследования и новые компьютерные модели. Например, исследования Ги Терулэ и Эрика Бонабо показали, что осы строят гнезда, руководясь информацией, которую каждая отдельная оса получает от уже построенной до нее части. Происходит это так: каждая оса, ползая по строящемуся гнезду и ощупывая усиками его клетки, получает такую локальную информацию, которая пробуждает в ней «строительный инстинкт» и побуждает сделать какое-то определенное строительное действие из присущего ей набора. Именно определенное, от разу до разу разное действие, потому что информация в каждом месте строящегося гнезда для осы разная: как показали тщательные измерения, оса, оказавшаяся в углу, где уже имеются три готовые клетки, с гораздо большей вероятностью строит еще одну в том же ряду, чем начинает соседний ряд, — и тому подобное.

Терулэ и Бонабо проверили эти наблюдения на компьютерной модели, в которой виртуальные осы двигались в трехмерном объеме, заполненном шестиугольными ячейками. Каждая такая оса способна «ощущать» только 26 клеток, ближайших к той, где она находится. При некоторых определенных конфигурациях этих ячеек в осе рождается строительный инстинкт, и она пристраивает к этой конфигурации новую ячейку, в других случаях просто переползает на новое место. Куда именно она пристраивает новую ячейку, определяется набором вероятностей для каждой из конфигураций, «стимулирующих» такую пристройку. Результатом этой чисто вероятностной деятельности, основанной на локальной информации об окружении, получаемой каждой отдельной осой, оказываются гнезда чрезвычайной сложности. Это показывает, что удивительные «архитектурные способности» роя как целого вовсе не требуют таких способностей от каждой отдельной осы; не требуют они также ни сложных правил поведения, ни особой гибкости, ни «понимания общего плана». Да и самого этого, заранее приготовленного плана они не требуют.

Перейдем теперь к нашему муравью. Разберемся, наконец, как он находит нужную дорогу. Этот вопрос был впервые решен известным энтомологом (а также создателем новой науки — социобиологии) Э. Вильсоном в 1990 году. Муравьи, как известно, общаются друг с другом с помощью особых пахучих химических веществ-феромонов. Запах феромона, который оставил один муравей, привлекает внимание другого. Чем сильнее запах, тем больше внимания. Когда муравей случайно находит запас пищи, он торопится назад в гнездо, помечая свой обратный путь феромонами. Прибыв в муравейник, он особым образом касается усиками других муравьев, и это особое касание рекрутирует этих муравьев присоединиться к походу за найденной пищей. Возвращаясь с пищей домой, эти рекруты тоже помечают свой путь, и в результате тропа к пище начинает пахнуть еще сильнее. Таким образом, прокладка тропы происходит по принципу положительной обратной связи: чем больше муравьев ею пользуются, тем привлекательней она становится и тем больше новых муравьев привлекает. Но когда запасы пищи начнут подходить к концу, число новых рекрутов, возвращающихся с пищей по этой тропе, начнет уменьшаться, запах тропы начнет слабеть, и она будет привлекать все меньше новых рекрутов — пока тропа совсем не заглохнет.

Интересно, однако, что этот механизм, собирающий — без всякого предуготовленного плана и предварительной координации — длинные колонны муравьев, марширующих по одной и той же тропе в сторону пищи, одновременно помогает муравьям выбирать также кратчайшую из возможных троп. Как это происходит, выяснил в начале 1990-х годов бельгийский исследователь Ж.-Л. Денебург. Он придумал хитроумный эксперимент с двумя мостиками: расположил между муравейником и пищей преграду в виде струйки воды, через которую были переброшены два мостика одинаковой длины. Вначале муравьи выбирали тот или иной мостик случайным образом, потому что феромонов не было ни на одном, так что вероятность выбора каждого мостика составляла около 50 %. Она и дальше оставалась такой, потому что число прошедших по каждому мостику муравьев было одинаковым и феромонов они оставляли одинаковое количество. В дальнейшем, однако, происходило так, что через один мостик — опять-таки, совершенно случайно — проходило на несколько муравьев больше, чем через другой. В результате первый мостик начинал пахнуть чуть более привлекательно, туда устремлялось больше муравьев, и спустя короткое время практически все муравьи уже маршировали по этому мостику.

Легко понять, как этот механизм положительного усиления случайных отклонений работает при выборе кратчайшего пути. Если сделать для муравьев два пути к пище, то вначале они устремятся в равной степени по обоим. Но те, которые — случайно! — выберут более короткий путь, пройдут его скорее. Это значит, что за одно и то же время в муравейник вернется большее число тех муравьев, которые шли по короткой тропе. А раз их по этой тропе пройдет больше, чем по длинной, то короткая тропа будет помечена феромонами сильнее, чем длинная, и следующая партия рекрутов устремится преимущественно по ней. Эта положительная связь будет постепенно усиливать запах короткой тропы, пока по ней не пойдут практически все муравьи, — не получив никакого приказа и совершенно не отдавая себе отчета, короче эта тропа или длиннее. Этот принцип поведения муравьев справедлив не только по отношению к длине тропы — любая информация, которая влияет на концентрацию муравьев на одном из конкурирующих путей — например, его ширина или отсутствие препятствий и так далее, — влияет на то, какой путь выиграет в этой конкуренции. Таков один из механизмов того, что внешне выглядит как «роевое», или «коллективное мышление».