Как муравьи строят империи

На средиземноморском побережье Европы — от Португалии до Италии — существует суперколония аргентинского муравья (Linepithema humile), протянувшаяся на 6 000 километров. Она содержит миллиарды особей в миллионах связанных гнёзд. Муравей из Барселоны, помещённый к муравьям в Генуе, будет принят как свой. Муравей из другой, конкурирующей суперколонии в той же Барселоне — убит в течение минуты. Генетическое сходство и совпадение углеводородного профиля кутикулы определяют, кто друг и кто враг.

Децентрализация, которая работает

Слово «матка» вводит в заблуждение. Матка муравьёв — не правитель. Она — репродуктивный орган колонии. Она не отдаёт приказов, не координирует работу и не принимает стратегических решений. Колония функционирует через стигмергию — систему, в которой поведение каждого отдельного муравья определяется химическими следами, оставленными другими муравьями.

Классический пример — фуражировка. Муравей-разведчик находит еду и возвращается в гнездо, оставляя феромонный след. Другие муравьи выходят по этому следу, находят еду и усиливают тот же след на обратном пути. Чем больше муравьёв подтверждает маршрут, тем сильнее след, тем больше муравьёв привлекается. Когда еда заканчивается, след испаряется, и поток прекращается. Никто не «решает» перенаправить ресурсы — система корректирует себя сама.

Отдельный муравей глуп. Колония муравьёв решает задачи, над которыми работают инженеры: логистику, распределение ресурсов, вентиляцию, вывоз отходов. Интеллект — свойство системы, а не её элементов.

Касты и переключение ролей

У большинства видов муравьёв существует разделение на касты: рабочие, солдаты, репродуктивные особи. Но это разделение менее жёсткое, чем принято думать. Исследования Дебры Гордон (Стэнфорд) на красном муравье-жнеце (Pogonomyrmex barbatus) показали, что рабочие муравьи переключаются между задачами в зависимости от текущих потребностей колонии. Молодые муравьи работают внутри гнезда, ухаживая за расплодом. С возрастом они переходят к строительству, затем к фуражировке — самой рискованной работе. Если потери фуражиров слишком высоки, колония сокращает фуражировочную активность, даже если еды не хватает. Безопасность колонии важнее немедленного пополнения запасов.

У вида Pheidole megacephala солдаты — крупные особи с непропорционально большими головами — могут «перепрофилироваться» в рабочих при дефиците последних. Обратное невозможно: размер головы определяется при развитии и не меняется.

Сельское хозяйство

Муравьи-листорезы (Atta и Acromyrmex) — единственные, кроме человека, организмы, которые ведут полноценное сельское хозяйство. Они срезают куски листьев, но не едят их. Листья транспортируются в гнездо, там пережёвываются в кашицу и используются как субстрат для выращивания гриба Leucoagaricus gongylophorus. Гриб — единственная пища личинок. Этот симбиоз существует около 50–60 миллионов лет.

Грибные сады муравьёв — сложные структуры с контролем температуры, влажности и вентиляции. Муравьи удаляют заражённые участки, применяют антибиотики (бактерии рода Pseudonocardia на их теле производят вещества, подавляющие паразитический гриб Escovopsis), и выбрасывают отходы в специальные камеры-«свалки». Рабочие, обслуживающие свалки, не возвращаются в грибные сады — карантин соблюдается строго.

Масштаб

Гнездо Atta может достигать 8 метров в глубину и содержать несколько тысяч камер. Одна колония перерабатывает столько растительного материала, сколько взрослая корова съедает травы. Для тропических экосистем муравьи-листорезы — один из главных факторов, определяющих потоки питательных веществ в почве.

Рабовладение

Несколько родов муравьёв практикуют так называемое дулоз — захват расплода из чужих колоний. Муравьи-амазонки (Polyergus) проводят рейды на гнёзда муравьёв Formica, похищая куколок. Из них выходят рабочие, которые «не знают», что находятся в чужом гнезде, и выполняют все работы — кормление, строительство, уход за расплодом. Polyergus потеряли способность самостоятельно питаться: их серповидные мандибулы приспособлены для боя, но бесполезны для обработки пищи. Без рабов они погибают.

Некоторые виды рабов, впрочем, «бунтуют». Исследования 2009 года (Сюзанна Фёцик, Университет Майнца) показали, что захваченные Temnothorax убивают часть куколок рабовладельцев — до 60% в отдельных случаях. Это снижает численность следующего поколения рейдеров и косвенно помогает родственным колониям рабов, которые подвергнутся меньшему давлению.

Войны

Конфликты между колониями муравьёв — это не единичные стычки, а организованные кампании. У рода Eciton (армейские муравьи Нового Света) колонна рейдеров может включать до 200 000 особей. Они не строят постоянных гнёзд, а формируют бивуак — живую структуру из собственных тел, внутри которой находятся матка и расплод.

Африканские муравьи-водители (Dorylus) формируют ещё более крупные колонны — до 20 миллионов особей. Их рейды уничтожают практически всех беспозвоночных на пути. В некоторых регионах Африки приход колонны Dorylus воспринимается людьми как полезное событие — муравьи вычищают дом от тараканов, скорпионов и мелких грызунов. После прохождения колонны дом оставляют открытым, а потом возвращаются.

Что этому можно научиться

Алгоритмы муравьиной колонии (Ant Colony Optimization, ACO), предложенные Марко Дориго в 1992 году, — одно из семейств метаэвристических алгоритмов, используемых для решения задач комбинаторной оптимизации: задача коммивояжёра, маршрутизация транспорта, распределение сетевого трафика. Принцип тот же: виртуальные «муравьи» оставляют виртуальный «феромон» на хороших решениях, привлекая к ним больше агентов.