Komputer z mrówek

Społeczeństwa owadów od wieków stanowiły zagadkę dla zoologów. Wokół nich powstawały mity, baśnie, legendy. Mrówcze kolonie uważano za społeczeństwa doskonałe, a robotnice przedstawiano jako przykład bezwzględnego oddania jednostki państwu.

Karol Darwin po opublikowaniu swojej teorii doboru naturalnego (1859) przyznawał, że jego teoria nie wyjaśnia zjawiska „mrówczowatości”. Ta luka była długo wykorzystywana jako argument przeciwko ideom ewolucji. Dopiero na początku XX w. pojawiły się odkrycia, które rzuciły nowe światło na problem owadzich społeczeństw, dając początek nowym kierunkom badań. W 1964 r. Hamilton przedstawił matematyczny model doboru krewniaczego. Pokazuje, że siła oddziaływań miedzy osobnikami jest uzależniona od stopnia pokrewieństwa miedzy nimi. W przypadku mrówek dochodzi do sytuacji, gdy robotnicom, z genetycznego punktu widzenia, bardziej „opłaca” się opiekować siostrami i ich matką (królową), niż własnym potomstwem. Doprowadziło to do powstania społeczności złożonych z królowej-matki wydającej kolejne pokolenia bezpłodnych samic-robotnic.

Wbrew wszelkim pozorom i stereotypom, dłuższe badania stwierdziły, że doskonałość owadzich społeczeństw pozostawia wiele do życzenia, szczególnie z punktu widzenia socjologii czy filozofii. Nie dostrzeżemy w nich scentralizowanego i zorganizowanego kierowania czy całościowej wizji. Również organizacja pracy i realizacja podstawowych zadań jednostek wydaje się szwankować. Pojedynczy owad ma własny rozum i zachowuje się jak autonomiczny element społeczeństwa, ma własne cele i potrzeby. Gdy dwie mrówki niosą fragment pożywienia do gniazda przez większość drogi sprawnie współpracują, ale gdy tylko zbliżą się do gniazda, każda zaczyna ciągnąć pokarm do wybranego przez siebie otworu. Gdy mechanicznie podzielimy sporny fragment, obie robotnice udadzą się w swoją stronę. Podobnie dzieje się przy budowie tuneli czy opieki nad larwami. Gdy jedna mrówka rozpoczyna budowę tunelu, druga może zacząć go burzyć, a larwa jest przenoszona z komory do komory; po chwili może być niesiona z powrotem.

Możliwości „umysłowe” jednej mrówki czy pszczoły są skromne i nie wykraczają poza te, które posiadają inne owady. Ale możemy zapytać czy jest to tylko tyle czy aż tyle? Jeśli przyjrzymy się głowie mrówki, to zauważymy że nie jest ona zbyt pojemna, a przecież znajdujący się w niej biokomputer ma za zadanie radzić sobie z wieloma zadaniami. Musi odpowiednio reagować na zmiany w ciele owada, analizować informacje ze środowiska, odbierać informacje od członków kolonii. Jest to problem podobny do tego, z jakim zmagają się współczesne rządy: w jaki sposób wysłać człowieka w kosmos za jak najmniejsze pieniądze. I rzeczywiście w budowie układu nerwowego dostrzegamy wiele rozwiązań wpływających na wzrost wydajności mózgu mimo niewielkich rozmiarów, np. redukcję objętości zajmowanej przez pojedynczy neuron, silną specjalizację wybranych obszarów i równoczesną redukcję obszarów zbędnych, specyficzny układ połączeń neuronowych. Bardzo ciekawą umiejętnością jest „mrówczy GPS”: owady te potrafią poruszać się w terenie w oparciu o położenie Słońca. Ich mózg analizuje jednocześnie czas wędrówki, zmiany położenia Słońca w czasie dnia oraz zmiany w kierunku ruchu. I pomyśleć, że człowiek do tego wszystkiego potrzebuje komputera, zegarka i mapy...

Jak więc to możliwe, że możemy podziwiać złożone systemy tuneli i komór czy sprawne dostarczanie pokarmu do gniazda? Dzieje się to dzięki bardzo sprawnemu systemowi komunikacji pomiędzy owadami. Przepływ informacji jest szybki, a ostateczny efekt jest wypadkową bodźców z wielu źródeł. Jeśli mrówka uzna, że warto postąpić tak, a nie inaczej, to podąży za towarzyszką do źródła pokarmu, wspomoże budowę tunelu, przenoszenie larw itp. Dlatego całkowity efekt, jakim jest funkcjonowanie gniazda, pozostaje wypadkową milionów drobnych, mniej lub bardziej słusznych (z naszego punktu widzenia), decyzji. Można nawet powiedzieć, że jest w pewien sposób demokratyczny. Tunel powstanie, jeśli zbierze się więcej mrówek, które uznają, że powinien on powstać, niż tych, które sądzą inaczej. Pokarm zostanie przeniesiony do gniazda jeśli odpowiednio duża liczba mrówek zdecyduje się na podążenie wybranym szlakiem wyznaczonym przez wcześniejszą grupę osobników.

Mogłoby się wydawać, że w takim systemie nadal pozostaje zbyt wiele niewiadomych, by mógł on sprawnie funkcjonować. Ale przecież tak nie jest. Po pierwsze sami widzimy, że system działa i to dość sprawnie. Nie wygląda na to, aby gatunkom mrówek czy pszczół groziło wyginięcie. Po drugie system wykazuje wysoką elastyczność i wydajność, co zostało docenione w informatyce i cybernetyce. Budowa sieci informatycznych czy szybki przesył danych opierają się właśnie na tych prostych regułach, którymi posługują się i które w toku ewolucji wypracowały owady. Konstrukcja programów do przeszukiwania baz danych opiera się na sposobie, w jaki robotnice układają martwe osobniki lub larwy. Istniejące już niewielkie, przypadkowo powstałe grupki (zwłok, larw) sprawiają, że kolejne obiekty o podobnych właściwościach są do nich dokładane tworząc ostatecznie duże stosy. Podobnie w bazach danych, początkowe dane są punktem odniesienia dla poszukiwania podobieństw i przypisywania odnalezionych danych do skromnych danych początkowych (wirtualna odległość między punktami symbolizującymi informacje wskazuje na trafność poszukiwań). W fabrykach, na taśmach produkcyjnych wykorzystuje się system specjalizacji i podziału pracy w roju. Pojedyncze stanowisko (traktowane jako pojedynczy owad) zmienia swą funkcję lub typ działań zależnie od stopnia zapotrzebowania na dany typ produktu. Zwiększa to wydajność procesu produkcyjnego oraz jego elastyczność. Tego typu przykłady można mnożyć. Jak widzimy, poszerzanie wiedzy na temat owadów społecznych nie jest jedynie zajęciem czysto hobbystycznym, ale znajduje praktyczne zastosowania w wielu dziedzinach techniki. HEX – mrówczy komputer z powieści Terry'ego Pratchetta nie jest tylko nieuzasadnioną fikcją...