Come le formiche costruiscono sistemi di traffico complessi senza leader

Qualche mese fa, mi sono svegliato e ho trovato una striscia che attraversava tutta la parete della mia cucina e che sembrava fosse stata disegnata lì con uno spesso pastello nero. Ciò era confuso, dato che vivo da solo, ad eccezione di tre gatti di cui ero abbastanza certo non l’avessero fatto. A un esame più attento, mi sono reso conto che la striscia non era affatto disegnata: era una scia di decine, forse migliaia, di minuscole formiche.

La traccia iniziava da una presa elettrica, si estendeva per una dozzina di piedi lungo il muro e poi attraverso il pavimento fino a un minuscolo pezzo di cibo caduto lì la notte prima. No, non voglio le formiche in casa mia; è stata una cosa spiacevole svegliarsi. Eppure, allo stesso tempo, era un’assoluta meraviglia, e non potevo fare a meno di restare lì e osservarla per diversi minuti. Alla fine ho ripulito il cibo che cercavano e, in pochi secondi, la serie di formiche si è ritirata verso la presa elettrica da cui erano venute. Assolutamente sorprendente.

Questa non è stata un’esperienza unica: è proprio quello che fanno le formiche. Centinaia o migliaia di loro escono da un nido, si aprono a ventaglio, individuano il cibo, evitano i pericoli, si adattano agli ostacoli e in qualche modo riportano le risorse a casa con notevole efficienza. Non c’è nessun capo formica visibile che dà ordini. Nessun caposquadra dirige il traffico, eppure il sistema funziona con notevole efficienza. Questa efficienza ha affascinato ingegneri, informatici e urbanisti, che hanno trascorso decenni cercando di capire come le formiche la raggiungano.

Il segreto è la comunicazione, anche se non nel modo in cui lo facciamo noi umani. Le formiche si affidano a segnali chimici chiamati feromoni per creare quella che può essere considerata una rete di informazioni digitali esterne. Questa rete consente alle formiche di condividere dati su dove si trova il cibo, quanto è buono, quanto è lontano e quanto potrebbe essere pericoloso il percorso. Individualmente, ogni formica segue semplici regole. Collettivamente, queste regole producono comportamenti complessi e adattivi che possono portare a una scia di sei metri attraverso la tua cucina altrettanto organizzata e, francamente, intimidatorio– come qualsiasi altro esercito che il mondo abbia mai visto.

Successo senza leader

Uno dei fatti più sorprendenti sulle formiche è che la maggior parte delle specie non ha leader in alcun senso significativo. Potresti chiedere: “Ma per quanto riguarda la regina?” Certo, le regine esistono, ma il loro ruolo è la riproduzione, non la gestione. Una regina non dirige i lavoratori, non assegna compiti o prende decisioni strategiche. Non solo non ci sono leader che abbaiano ordini, ma i lavoratori non si impartiscono nemmeno comandi tra loro. Ogni formica opera sulla base di informazioni locali e semplici segnali comportamentali.

Nonostante ciò, le colonie di formiche possono svolgere compiti che sembrano ben coordinati dalla progettazione. Trovano la strada più breve per raggiungere il cibo. Regolano i percorsi quando compaiono ostacoli. Assegnano più lavoratori alle fonti alimentari ricche e abbandonano quelle povere. Regolano anche il flusso del traffico sui sentieri trafficati per prevenire la congestione. Gli scienziati chiamano questo fenomeno auto-organizzazione. L’ordine emerge come risultato di molte piccole interazioni, non dal controllo dall’alto verso il basso. La colla che tiene insieme questo sistema sono i feromoni.

Cosa sono i feromoni e come li usano le formiche?

In generale, i feromoni sono sostanze chimiche che gli animali rilasciano per influenzare il comportamento degli altri della stessa specie. Le formiche producono molti feromoni diversi, ciascuno con uno scopo specifico. Alcuni segnalano l’allarme, altri segnalano il territorio e altri ancora indicano le fonti di cibo.

Quando una formica trova il cibo, spesso lascia una scia di feromoni mentre ritorna al nido. Ma questo sentiero non è solo una semplice frase che dice: qui cibo. Contiene informazioni stratificate. Altre formiche possono “leggere” la forza, la freschezza e la composizione chimica di una traccia, consentendo loro di dedurre cose come quante formiche l’hanno utilizzata, quanto recentemente e se è stata tracciata dopo una scoperta riuscita.

Interpretano queste tracce di feromoni utilizzando antenne altamente sensibili che consentono loro di rilevare quantità estremamente piccole di queste sostanze chimiche. Toccando il terreno con le antenne mentre camminano, le formiche campionano continuamente il paesaggio chimico che le circonda, come leggere il Braille con la punta delle dita.

Cosa comunicano i sentieri

Gli scienziati a volte descrivono le tracce di feromoni delle formiche come “digitali”. Un sistema digitale è quello in cui vengono gestite le informazioni passi separati e numerabilinon come un segnale fluido e in costante cambiamento. Le scie delle formiche funzionano in questo modo: ogni formica aggiunge feromoni a un percorso oppure non aggiunge nulla. Man mano che questi depositi individuali si accumulano o svaniscono, le informazioni condivise della colonia si aggiornano in passaggi distinti anziché come un segnale uniforme e costantemente modificato. In termini più semplicistici, se vale la pena seguire una traccia, la formica rilascerà feromoni che lo dicono; se non lo è, non lo faranno. In questo modo, la colonia essenzialmente vota dove investire il proprio lavoro.

Distanza

Supponiamo che ci siano due pizzerie ugualmente buone nella tua città: una a mezzo isolato di distanza, l’altra dall’altra parte della città. È molto più probabile che tu vada a quello più vicino. Le formiche non sono diverse, ma non hanno Google Maps per sapere quale fonte di cibo è più vicina. È qui che entrano in gioco i feromoni.

La distanza è codificata indirettamente attraverso il decadimento dei feromoni e il tempo di viaggio. I feromoni evaporano e si decompongono nel tempo. Un sentiero che impiega più tempo a percorrere si indebolirà naturalmente prima di poter essere rinforzato. Ciò significa che le fonti di cibo più vicine tendono a sviluppare tracce di feromoni più forti più rapidamente.

Alcune specie regolano anche la quantità di feromone rilasciato in base a quanto tempo hanno viaggiato o a quanto sono esausti al ritorno. Viaggi più brevi spesso comportano depositi di feromoni più pesanti, che distorcono ulteriormente il sistema verso le risorse vicine. La colonia non calcola la distanza come facciamo noi, ma la chimica dei feromoni garantisce che la distanza venga automaticamente presa in considerazione nel processo decisionale.

Qualità del cibo

Restando fedeli alla metafora della pizza, supponiamo ora che ci siano due pizzerie una accanto all’altra. Uno è delizioso e l’altro sa di cartone. Ovviamente vuoi quello delizioso. Lo stesso per le formiche. Ma non hanno il vantaggio di Yelp per dire loro quale è meglio. Allora come fanno a saperlo? Ancora: feromone.

Non si direbbe, ma le formiche sono sorprendentemente schizzinose. I liquidi ricchi di zucchero, i semi grassi e gli insetti ricchi di proteine ​​offrono tutti vantaggi diversi a seconda delle esigenze della colonia. Fonti di cibo di qualità superiore spingono le formiche a rilasciare più feromoni per viaggio. Altre formiche che incontrano la traccia rispondono seguendola con più entusiasmo e aggiungendo il proprio feromone se anche loro trovano il cibo utile.

In alcune specie, al ritorno al nido, le formiche si scambiano il cibo liquido bocca a bocca, un processo chiamato trofallassi. Ciò consente ai compagni di nido di assaggiare direttamente il cibo. Se il cibo è prezioso, più operaie sono stimolate a lasciare il nido e seguire la traccia. Ciò, a sua volta, si traduce in un deposito di più feromoni. Il risultato è un sistema che aumenta o riduce la manodopera in base al feedback in tempo reale.

Pericolo

I feromoni non solo attirano le formiche, ma possono anche respingerle. Molte specie di formiche utilizzano feromoni di allarme per segnalare pericoli, come predatori o terreno che crolla. Se le formiche incontrano una minaccia lungo un sentiero, possono rilasciare feromoni di allarme che inducono gli altri a esitare, a ritirarsi o a prendere percorsi alternativi. Con il passare del tempo, i percorsi pericolosi vengono “contrassegnati” chimicamente come indesiderabili, anche se una volta conducevano al cibo. I percorsi più sicuri ottengono maggiori rinforzi e la colonia sposta il traffico di conseguenza, consentendo alle colonie di formiche di adattarsi alle mutevoli condizioni senza bisogno di memoria o pianificazione centralizzata.

Il percorso più breve

Una delle dimostrazioni più famose della logistica delle formiche riguarda l’ottimizzazione del percorso. Quando alle formiche vengono forniti due possibili percorsi verso una fonte di cibo, uno breve e uno lungo, di solito convergono nel tempo sul percorso più breve.

Ciò accade perché le formiche che percorrono il percorso più breve ritornano più velocemente e rinforzano quel percorso più frequentemente. Anche se inizialmente le formiche esplorano entrambi i percorsi, piccole differenze casuali vengono amplificate attraverso un feedback positivo. Alla fine, quasi tutte le formiche utilizzano il percorso più efficiente.

Questo comportamento ha ispirato algoritmi utilizzati in informatica e logistica, spesso chiamati ottimizzazione delle colonie di formiche. Questi algoritmi aiutano a risolvere problemi come il routing dei camion per le consegne, la pianificazione dei voli aerei e la gestione del traffico Internet.

Gestione del traffico senza segnali di stop

Per quanto intelligenti siano gli esseri umani, una cosa che non riusciamo proprio a capire è come sedare il traffico. Le formiche ci hanno decisamente superato in questo reparto. Il traffico intenso di formiche può diventare caotico quanto la Hollywood Freeway nelle ore di punta, ma le colonie hanno dei modi per prevenire gli ingorghi. Sui sentieri trafficati, le formiche spesso si auto-organizzano in corsie, con le formiche in uscita e in entrata che si tengono su lati diversi.

Questo comportamento sembra emergere da semplici regole di elusione. Le formiche rallentano o modificano la direzione quando entrano in collisione con altre e, nel tempo, si formano modelli di flusso stabili. I feromoni aiutano a mantenere questi percorsi, rafforzando un movimento efficiente e scoraggiando il vagabondaggio.

Alcune specie regolano addirittura il numero di formiche che lasciano il nido in base alla congestione. Quando i raccoglitori di ritorno tornano con il cibo e lasciano forti tracce chimiche, è come un segnale “unitevi a noi”, e altri lavoratori si precipitano a seguirli. Se troppe formiche tornano a mani vuote e le tracce sono deboli, la colonia rallenta, inviando meno formiche a cercare cibo. Senza alcun capo o programma, il nido bilancia naturalmente il traffico, rispondendo ai successi e ai fallimenti come se la colonia fosse un’unica mente intelligente.

Un sistema semplice ma straordinariamente efficiente

Il potere della comunicazione basata sui feromoni risiede nella sua semplicità e ridondanza. Nessuna singola formica contiene informazioni critiche. Se una formica muore, la traccia rimane. Se le condizioni cambiano, i feromoni svaniscono e ne vengono sostituiti di nuovi.

Il sistema è flessibile, scalabile e robusto. Funziona altrettanto bene per dozzine di formiche che per milioni. Risponde inoltre rapidamente al cambiamento, spesso più velocemente dei sistemi progettati dall’uomo che si basano sul controllo centralizzato. Non c’è burocrazia nel mondo delle formiche. Questo è il motivo per cui le colonie di formiche hanno prosperato per decine di milioni di anni in ambienti in costante cambiamento.

E gli esseri umani ne stanno prendendo atto. Urbanisti, ingegneri informatici ed esperti di logistica ora prendono in prestito idee dai sistemi di feromoni delle formiche per progettare reti più resilienti. No, gli esseri umani non potranno mai esplorare le città annusando il marciapiede, ma i principi alla base di…