Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

"Распределенный мозг" муравьиной семьи

Доктор технических наук В. ЛУГОВСКОЙ.

Прямые наблюдения за муравьями подтверждают гипотезу о внешних командах, управляющих поведением отдельного насекомого. Типичным для муравья является неожиданное и резкое изменение направления движения, которое нельзя объяснить никакими видимыми внешними причинами. Часто можно наблюдать, как муравей на мгновенье останавливается и неожиданно поворачивает, продолжая движение под углом к прежнему направлению, а иногда и в обратную сторону. Наблюдаемую картину можно правдоподобно истолковать, как "остановку для приема управляющего сигнала" и "продолжение движения после получения приказа о новом направлении". При выполнении какой-либо трудовой операции муравей может (правда, это случается заметно реже) прервать ее и либо перейти к другой операции, либо двигаться в сторону от места работы. Такое поведение также напоминает реакцию на внешний сигнал.

Очень интересен с точки зрения гипотезы супермозга феномен так называемых ленивых муравьев. Наблюдения показывают, что не все муравьи в семье являются образцами трудолюбия. Оказывается, примерно 20% муравьиной семьи практически не принимает участия в трудовой деятельности. Исследования показали, что "ленивые" муравьи - это не муравьи на отдыхе, которые после восстановления сил включаются в работу. Оказалось, что если удалить из семьи заметную часть работающих муравьев, то соответственно повышается темп работы оставшихся "работников", а "ленивые" муравьи в работу не включаются. Поэтому их нельзя считать ни "трудовым резервом", ни "отдыхающими".

Сегодня предложено два объяснения существования "ленивых" муравьев. В первом случае предполагается, что "ленивые" муравьи - это своеобразные "пенсионеры" муравейника, состарившиеся муравьи, неспособные к активной трудовой деятельности. Второе объяснение еще проще: это муравьи, которые почему-то не хотят работать. Так как других, более убедительных объяснений нет, считаю, что имею право на еще одно предположение.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Для любой распределенной системы обработки информации - а супермозг является разновидностью такой системы - одна из основных проблем - обеспечение надежности. Для супермозга эта задача жизненно важна. Основу системы обработки информации представляет программное обеспечение, в котором закодированы принятые в системе методы анализа данных и принятия решений, что справедливо и для супермозга. Наверняка его программы сильно отличаются от программ, написанных для современных вычислительных систем. Но в том или ином виде они должны существовать, и именно они ответственны за результаты работы супермозга, т.е. в конечном счете за выживание популяции.

Но, как уже говорилось выше, программы и данные, которые ими обрабатываются, не хранятся в одном месте, а разбиты на множество сегментов, расположенных в отдельных муравьях. И даже при очень большой надежности работы каждого элемента супермозга результирующая надежность системы получается невысокой. Так, например, пусть надежность работы каждого элемента (сегмента) равна 0,9999, т.е. сбой в его работе возникает в среднем один раз на 10 тысяч обращений. Но если вычислить суммарную надежность системы, состоящей, скажем, из 60 тысяч таких сегментов, то она оказывается меньше 0,0025, т.е. уменьшается примерно в 400 раз по сравнению с надежностью отдельного элемента!

Разработаны и используются в современной технике различные способы повышения надежности больших систем. Например, резко повышает надежность дублирование элементов. Так, если при той же, что и в приведенном примере, надежности элемента его дублировать, то общее количество элементов возрастет вдвое, но зато суммарная надежность системы возрастет и станет практически равной надежности отдельного элемента.

Если вернуться к муравьиной семье, то нужно сказать, что надежность функционирования каждого сегмента супермозга значительно ниже приведенных величин, хотя бы из-за малого срока жизни и большой вероятности гибели носителей этих сегментов - отдельных муравьев. Поэтому многократное дублирование сегментов супермозга является обязательным условием его нормального функционирования. Но кроме дублирования есть и другие способы повышения суммарной надежности системы.

Дело в том, что система в целом не одинаково реагирует на сбои в разных ее элементах. Есть сбои, которые фатально сказываются на работе системы: например, когда неправильно срабатывает программа, обеспечивающая нужный порядок обработки информации, или когда из-за сбоя теряются уникальные данные. Но если сбой происходит в сегменте, результаты работы которого можно каким-либо способом исправить, то эта неполадка приводит только к некоторой задержке в получении результата. Кстати сказать, в реальных условиях большинство результатов, получаемых супермозгом, относится именно к этой группе и лишь в редких случаях сбои приводят к тяжелым последствиям. Поэтому надежность системы можно увеличить еще и повышением, так сказать, "физической надежности" сегментов, в которых располагаются особо важные и невосстанавливаемые программы и данные.

Исходя из сказанного, можно предположить, что именно "ленивые" муравьи являются носителями специализированных, особо важных сегментов распределенного мозга. Эти сегменты могут иметь различное назначение, например выполнять функции поддержания целостности мозга при гибели отдельных муравьев, собирать и обрабатывать информацию с сегментов нижнего уровня, обеспечивать правильную последовательность выполнения задач супермозга и т. п. Освобождение от трудовой деятельности обеспечивает "ленивым" муравьям повышенную безопасность и надежность существования.

Такое предположение о роли "ленивых" муравьев подтверждается экспериментом, проведенным в Стэнфордской лаборатории известного физика, лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, который занимался проблемами самоорганизации и коллективной деятельности. В этом эксперименте муравьиную семью разделили на две части: в одну вошли только "ленивые" муравьи, а в другую - "работники". Через некоторое время выяснилось, что "трудовой профиль" каждой новой семьи повторяет "трудовой профиль" исходной семьи. Оказалось, что в семье "ленивых" муравьев только каждый пятый остался "ленивым", а остальные активно включились в трудовую деятельность. В семье же "работников" та же пятая часть стала "ленивыми", а остальные остались "работниками".

Результаты этого изящного эксперимента легко объяснить с точки зрения гипотезы распределенного мозга. По-видимому, в каждой семье часть ее членов делегируется для хранения особо важных сегментов распределенного мозга. Вероятно, по структуре и строению нервной системы "ленивые" муравьи не отличаются от "работников" - просто в какой-то момент в них загружаются нужные сегменты. Именно это и произошло с новыми семьями в описанном выше эксперименте: центральный мозг выполнил нечто похожее на загрузку нового программного обеспечения, и этим было закончено оформление муравьиных семей.

Уже сегодня можно строить достаточно правдоподобные гипотезы о структуре распределенного мозга, топологии сети, объединяющей его сегменты, и о базовых принципах резервирования внутри нее. Но главное не в этом. Главное в том, что концепция распределенного мозга позволяет непротиворечиво объяснить основную загадку муравейника: где и как хранится и используется управляющая информация, определяющая сверхсложную жизнь муравьиной семьи.

Редакция и автор будут рады получить от специалистов по мирмекологии комментарии к статье.

"Наука и жизнь" о муравьях:

Муравей крупным планом. - 1972, № 9.

Ковалев В. Муравьиные коммуникации . - 1974, № 5.

Халифман И. Операция "Муравей" . - 1974, № 5.

Мариковский П. Муравьиная служба реанимации . - 1976, № 4.

Васильева Е., Халифман И. Великан у муравейника . - 1980, № 3.

Константинов И. Город муравьев . - 1982, № 1.

Васильева Е., Халифман И. Муравьи-кочевники . - 1986, № 1.

Индивидуальность есть и у муравьев . - 1998, № 12.

Александровский Г. Эволюция муравьев длится 100 миллионов лет. - 2000, № 10.

Старикова О., Фурман М. Муравьи в городе. - 2001, № 1.

Успенский К. Песчаный муравей. - 2003, № 8.

Металлический муравейник. - 2004, № 11.

Муравьи выбирают жилище. - 2006, №7.

См. в номере на ту же тему

Ю. ФРОЛОВ - Как изучают жизнь муравьев.

Муравей и муравейник.

Комментарии к статье

*Бит - единица информации, позволяющая выполнить один двоичный выбор: "да-нет", "лево-право" и т.п.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Гипотезы, предположения, факты»

Детальное описание иллюстрации

"Пастух" и стадо "коров". "Муравьиными коровами" иногда называют тлей, поскольку муравьи специально разводят их, чтобы собирать падь - богатое углеводами "молочко". На зиму тлей переносят в теплый муравейник, а весной расселяют по окрестным растениям. Фото П. Корзуновича.