Tänk dig att du är medlem i Cephalotes goniodontus -arten, en trädmyr med ett Darth Vader-liknande huvud som har inspirerat människor att kalla dig "sköldpaddsmyror". Du rör dig längs en gren av den trassliga trädkronan i Jalisco, Mexiko, efter ett doftspår som andra myror från din koloni lämnat, men du träffar ett abrupt slut där grenen bryts. Hur vet du vart du ska gå?
Deborah Gordon, professor i biologi vid Stanford University, bestämde sig för att svara på detta och många andra frågor när hon började studera dessa myror 2011. Kikade in i träden - ibland från toppen av en stege - spenderade Gordon timmar på att spela in vilka korsningar myrorna väljer.
Gordons arbete, publicerad online 29 september av Amerikansk naturforskare , har lett till utvecklingen av en enkel algoritm som förklarar hur myror skapar, reparera och beskära ett nätverk i en komplex växtlabyrint. Denna algoritm kan förklara andra biologiska processer eller tillhandahålla tekniska lösningar.
En myralgoritm
Myrorna som Gordon studerade lämnar aldrig sin skogstak, rör sig istället genom en härva av vinstockar, buskar och träd längs en krets av spår som förbinder många bon och matkällor. Eftersom dessa matkällor kommer och går, bon försvinner och grenar bryts, kretsen förändras något från dag till dag.
Gordon kartlade dessa komplexa spår och satte upp experiment för att studera hur myrorna reagerade när ny mat dök upp eller grenar gick sönder. Tillsammans med Arjun Chandrasekhar och Saket Navlakha från Salk Institute of Biological Studies vid University of California, San Diego, Gordon analyserade de resulterande data för att modellera hur myrorna reparerar och beskär sitt spårnät.
"Vid varje nod, myror kan gå vilse om andra inte har varit där nyligen för att lämna ett kemiskt spår, "sa Gordon." Så det finns en pågående process som inte skapar nätverket med den kortaste vägen, men nätverket med färsta korsningar där myror måste fatta ett beslut och kan göra fel. Det verkar som att evolutionen har gynnat att hålla ihop myrorna på samma nätverk, snarare än att spara dem på hur långt de måste gå. "
Myror av C. goniodontus väljer vilken väg att ta vid en korsning genom att följa feromon som lagts av myrorna som nyligen korsade korsningen. Feromonen avdunstar, så den väg som nyligen hade flest myror är den mest attraktiva. Genom att markera myrorna med nagellack, Gordon fann att samma myror tenderar att gå längs samma spår från ett bo.
Men om ett spår går sönder, myrorna har en enkel plan för att återansluta till spårnätet. De använder det som kallas "girig sökning, "arbeta runt brottet i vägen genom att flytta tillbaka till närmaste korsning och välja en ny väg från den punkten.
"Även om det är något som ser ut som en snyggare lösning som finns tillgänglig genom att gå tillbaka några noder, det använder de aldrig, "sa Gordon." De går alltid direkt tillbaka till noden närmast pausen och går därifrån till närmaste nod, och så vidare. Eftersom vegetationen är så trasslig, de kan hitta en väg till andra sidan av pausen. "
Som ofta händer inom vetenskapen, algoritmer kan erbjuda naturinspirerade lösningar på konstruerade problem, vilket leder till robusta och eleganta fixar. Algoritmerna som producerar och reparerar naturliga nätverk, som nätverket av neuroner och deras synapser i hjärnan, hjälpa oss att designa och navigera i många typer av konstruerade nätverk, som Facebook eller tunnelbanesystem. Denna algoritm, skapad av sköldpaddsmyror i den tropiska baldakinen, är ett annat exempel på en utmärkt utvecklad lösning, Sa Gordon.
