Algoritme forklarer, hvordan myrer skaber og reparerer stinetværk

Forestil dig, at du er medlem af arten Cephalotes goniodontus, en træmyre med et Darth Vader-lignende hoved, der har inspireret mennesker til at kalde dig "skildpaddemyrer". Du bevæger dig langs en gren af ​​det sammenfiltrede trækrone i Jalisco, Mexico, følger et duftspor efterladt af andre myrer fra din koloni, men du rammer en brat ende, hvor grenen er knækket. Hvordan ved du, hvor du skal hen?

Deborah Gordon, professor i biologi ved Stanford University, satte sig for at besvare dette og mange andre spørgsmål, da hun begyndte at studere disse myrer i 2011. Da hun kiggede ind i træerne – nogle gange fra toppen af ​​en stige – brugte Gordon timer på at registrere, hvilke vejkryds myrerne vælger.

Gordons arbejde, offentliggjort online 29. september af Amerikansk naturforsker , har ført til udviklingen af ​​en simpel algoritme, der forklarer, hvordan myrer skaber, reparere og beskære et netværk i en kompleks labyrint af vegetation. Denne algoritme kan forklare andre biologiske processer eller give tekniske løsninger.

En myre-algoritme

Myrerne Gordon studerede forlader aldrig deres skovkrone, bevæger sig i stedet gennem et virvar af vinstokke, buske og træer langs et kredsløb af stier, der forbinder mange reder og fødekilder. Fordi disse fødekilder kommer og går, reder forsvinder og grene knækker, kredsløbet ændrer sig lidt fra dag til dag.

Gordon kortlagde disse komplekse stier og opstillede eksperimenter for at studere, hvordan myrerne reagerede, når der dukkede ny mad op, eller grene knækkede. Sammen med Arjun Chandrasekhar og Saket Navlakha fra Salk Institute of Biological Studies ved University of California, San Diego, Gordon analyserede de resulterende data for at modellere, hvordan myrerne reparerer og beskærer deres stinetværk.

"Ved hver knude, myrer kan fare vild, hvis andre ikke har været der for nylig nok til at efterlade et kemikaliespor, " sagde Gordon. "Så der er en løbende proces, der ikke skaber netværket med den korteste vej, men netværket med færrest kryds, hvor myrer skal træffe en beslutning og kunne træffe den forkerte. Det ser ud til, at evolutionen har favoriseret at holde myrerne sammen på det samme netværk, i stedet for at spare dem for kræfter i, hvor langt de skal gå."

Myrer af C. goniodontus vælger, hvilken rute de skal tage ved et vejkryds ved at følge feromoner lagt af de myrer, der for nylig krydsede dette kryds. Feromonen fordamper, så den sti, der for nylig havde flest myrer, er den mest attraktive. Ved at markere myrerne med neglelak, Gordon fandt ud af, at de samme myrer har en tendens til at gå ad de samme stier fra en rede.

Men hvis et spor bliver brudt, myrerne har en simpel plan for at genoprette forbindelsen til stinettet. De bruger det, der er kendt som "grådig søgning, " arbejde rundt om bruddet i stien ved at flytte tilbage til det nærmeste kryds og vælge en ny vej fra det punkt.

"Selv hvis der er noget, der for os ser ud som en pænere løsning tilgængelig ved at gå et par noder tilbage, det bruger de aldrig, " sagde Gordon. "De går altid lige tilbage til den knude, der er nærmest pausen og går derfra til den nærmeste knude, og så videre. Fordi vegetationen er så sammenfiltret, de er i stand til at finde en vej til den anden side af pausen."

Som det ofte sker i videnskaben, Algoritmer kan tilbyde naturinspirerede løsninger på manipulerede problemer, fører til robuste og elegante løsninger. Algoritmerne, der producerer og reparerer naturlige netværk, ligesom netværket af neuroner og deres synapser i hjernen, hjælpe os med at designe og navigere i mange slags konstruerede netværk, såsom Facebook eller metrosystemer. Denne algoritme, skabt af skildpaddemyrer i den tropiske baldakin, er endnu et eksempel på en fremragende udviklet løsning, sagde Gordon.